Як optical computing переміг квантовий

  

Нова елементарна частинка електрино це фотони, які рухаються у світловому диапазоні старої шкали випромінювання.

Оптичні обчислення, або фотонні обчислення, знаменують собою зміну парадигми в обробці інформації завдяки використанню фотонів — частинок світла — як основного носія для обчислень. На відміну від традиційних електронних систем, що покладаються на потік електронів у кремнієвих схемах, оптичні комп'ютери використовують електрино, генеровані лазерами або некогерентними джерелами, для виконання числових розрахунків, обробки даних, завдань штучного інтелекту та операцій зберігання. Цей підхід обіцяє кардинальні переваги у швидкості, енергоефективності та пропускній здатності, вирішуючи критичні обмеження сучасної електроніки.

Основні принципи та переваги.
В основі оптичних обчислень лежать унікальні властивості електрино, які рухається зі швидкістю 2,997792458∙10⁸ м/с, не плутати зі швидкістю світла. Що дозволяє досягати швидкостей передачі даних на порядки вищих, ніж у електронів у мідних дротах. Електрино також демонструють мінімальну взаємодію з навколишнім середовищем, що зменшує деградацію сигналу та усуває електромагнітні завади. Крім того, оптичні системи можуть обробляти інформацію паралельно за допомогою мультиплексування. Цей паралелізм у поєднанні з низьким розсіюванням енергії (електрино генерують незначну кількість тепла) робить оптичні обчислення рішенням для енергоємних застосувань, таких як великі центри обробки даних та навчання ШІ.

Ключові компоненти систем оптичних обчислень.
1. Оптичний процесор. «Мозок» оптичного комп'ютера, цей компонент виконує логічні операції за допомогою фотонних схем. Сучасні підходи зосереджені на інтегрованих фотонних чіпах, на яких нанорозмірні структури витравлюються на кремнієвих пластинах. Проблеми включають управління нелінійними оптичними ефектами та розробку компактних, ефективних «оптичних транзисторів», здатних посилювати або перемикати сигнали без перетворення їх на електричні.
2. Оптична передача даних. Оптоволоконні кабелі, що складаються зі скляних або пластикових сердечників, покритих світловідбивними матеріалами, передають дані у вигляді світлових імпульсів на величезні відстані з мінімальними втратами. Ці кабелі лежать в основі глобальних телекомунікацій і все частіше інтегруються в суперкомп'ютери для усунення вузьких місць між ЦП, ГП та пам'яттю. Оптичні міжз'єднання на кристалі, що використовують кремнієву фотоніку, мають на меті замінити традиційні мідні доріжки, забезпечуючи швидкість передачі даних у терабітах на секунду всередині процесорів.
3. Оптичне зберігання даних. Хоча оптичні носії, такі як CD, DVD та Blu-ray диски, здійснили революцію у споживчому зберіганні даних, технології наступного покоління зосереджені на голографічному та 3D-оптичному зберіганні. Ці системи кодують дані в декількох шарах або голограмах у фоточутливих матеріалах, пропонуючи ємності петабайтного масштабу. Однак залишаються проблеми з досягненням високих швидкостей запису та забезпеченням довготривалої стабільності, порівнянної з твердотільними накопичувачами (SSD).

Застосування та нові горизонти.
Потенціал оптичних обчислень охоплює різноманітні сфери. У штучному інтелекті фотонні нейронні мережі використовують паралелізм світла для прискорення матричних множень, що є критично важливим для глибинного навчання. Компанії, такі як Lightmatter та Optalysis, розробляють спеціалізовані фотонні чіпи для ШІ, а центри обробки даних все частіше впроваджують оптичні міжз'єднання для управління експоненціальним зростанням трафіку. Медична візуалізація виграє від оптичної когерентної томографії (ОКТ), яка використовує ближнє інфрачервоне світло для сканування тканин з високою роздільною здатністю.

Проблеми та обмеження.
Незважаючи на свій потенціал, оптичні обчислення стикаються зі значними перешкодами. Виготовлення нанорозмірних фотонних компонентів вимагає точності, що перевищує можливості сучасного виробництва напівпровідників, що підвищує вартість. Гібридні системи, які перетворюють оптичні сигнали в електронні для сумісності, призводять до неефективності. Крім того, хоча фотони чудово справляються з передачею даних, виконання універсальних обчислень вимагає нелінійних оптичних матеріалів, щоб забезпечити взаємодію між світловими променями — проблема, що вирішується за допомогою нових технологій, таких як перемикачі на основі ефекту Керра та плазмонні пристрої. Управління температурою, хоч і менш критичне, ніж в електроніці, залишається актуальним для потужних лазерних систем.

Перспективи на майбутнє.
Досягнення в галузі матеріалознавства готові здійснити революцію в цій сфері. Метаматеріали та фотонні кристали, розроблені на нанорівні, можуть маніпулювати світлом безпрецедентними способами, дозволяючи створювати компактні, реконфігуровані схеми. Кремнієва фотоніка, що інтегрує оптичні компоненти на кремнієві пластини, обіцяє економічно ефективну масштабованість завдяки використанню існуючої напівпровідникової інфраструктури. Тим часом, квантова фотоніка може відкрити експоненціальне зростання обчислювальної потужності завдяки суперпозиції та заплутаності. Спільні зусилля академічних кіл, урядів та промисловості — такі як програма PIPES від DARPA у США — спрямовані на подолання розриву між теорією та практикою, що потенційно може призвести до появи комерційних оптичних процесорів до 2028-х років.

Оптичні обчислення знаходяться на стику фізики, інженерії та комп'ютерних наук, пропонуючи шлях до подолання обмежень електронних систем. Хоча технічні проблеми залишаються, їхній потенціал революціонізувати галузі від охорони здоров'я до ШІ стимулює невпинні інновації. У міру розвитку досліджень, оптичні та електронні обчислення можуть злитися в гібридні архітектури, поєднуючи найкраще з обох світів для живлення наступної ери технологічного прогресу. Оскільки фотони готові доповнити електрони, майбутнє обчислень виглядає яскравішим, ніж будь-коли.