Computación óptica

Computación óptica o fotonic computing utiliza ondas de luz producidas por láser o fuentes incoherentes para el procesamiento de datos, almacenamiento de datos o comunicación de datos para el cálculo. Durante décadas, los fotones han demostrado la promesa de permitir un ancho de banda más alto que los electrones utilizados en las computadoras convencionales (ver fibras ópticas).

La mayoría de los proyectos de investigación se centran en reemplazar los componentes informáticos actuales con equivalentes ópticos, lo que da como resultado un sistema informático digital óptico que procesa datos binarios. Este enfoque parece ofrecer las mejores perspectivas a corto plazo para la informática óptica comercial, ya que los componentes ópticos podrían integrarse en las computadoras tradicionales para producir un híbrido óptico-electrónico. Sin embargo, los dispositivos optoelectrónicos consumen el 30% de su energía convirtiendo la energía electrónica en fotones y viceversa; esta conversión también ralentiza la transmisión de mensajes. Las computadoras totalmente ópticas eliminan la necesidad de conversiones óptico-eléctrico-ópticas (OEO), lo que reduce el consumo de energía eléctrica.

Se han diseñado dispositivos para aplicaciones específicas, como el radar de apertura sintética (SAR) y los correlacionadores ópticos, para utilizar los principios de la computación óptica. Los correlacionadores se pueden utilizar, por ejemplo, para detectar y rastrear objetos y para clasificar datos ópticos en serie en el dominio del tiempo.

Componentes ópticos para computadora digital binaria

El componente fundamental de las computadoras electrónicas modernas es el transistor. Para sustituir componentes electrónicos por ópticos se necesita un transistor óptico equivalente. Esto se logra mediante óptica de cristal (utilizando materiales con un índice de refracción no lineal). En particular, existen materiales en los que la intensidad de la luz entrante afecta la intensidad de la luz transmitida a través del material de manera similar a la respuesta actual de un transistor bipolar. Un transistor óptico de este tipo se puede utilizar para crear puertas lógicas ópticas, que a su vez se ensamblan en los componentes de nivel superior de la unidad central de procesamiento (CPU) de la computadora. Serán cristales ópticos no lineales que se utilizarán para manipular haces de luz para controlar otros haces de luz.

Como cualquier sistema informático, un sistema informático óptico necesita tres cosas para funcionar bien:

1. procesador óptico
2. transferencia de datos ópticos, por ejemplo cable de fibra óptica
3. almacenamiento óptico,

La sustitución de componentes eléctricos requerirá la conversión del formato de datos de fotones a electrones, lo que hará que el sistema sea más lento.

Controversia

Existen algunos desacuerdos entre los investigadores sobre las capacidades futuras de las computadoras ópticas; Es una cuestión abierta si podrán o no competir con las computadoras electrónicas basadas en semiconductores en términos de velocidad, consumo de energía, costo y tamaño. Los críticos señalan que los sistemas lógicos del mundo real requieren "restauración a nivel lógico, capacidad en cascada, distribución en abanico y aislamiento de entrada-salida", todo lo cual actualmente es proporcionado por transistores electrónicos a bajo costo, baja potencia y alta velocidad. Para que la lógica óptica sea competitiva más allá de unas pocas aplicaciones específicas, se necesitarían avances importantes en la tecnología de dispositivos ópticos no lineales, o tal vez un cambio en la naturaleza de la informática misma.

Conceptos erróneos, desafíos y perspectivas

Un desafío importante para la computación óptica es que la computación es un proceso no lineal en el que deben interactuar múltiples señales. La luz, que es una onda electromagnética, sólo puede interactuar con otra onda electromagnética en presencia de electrones en un material, y la fuerza de esta interacción es mucho más débil para las ondas electromagnéticas, como la luz, que para las señales electrónicas en una computadora convencional. . Esto puede dar como resultado que los elementos de procesamiento de una computadora óptica requieran más potencia y dimensiones mayores que los de una computadora electrónica convencional que utiliza transistores.

Otra idea errónea es que, dado que la luz puede viajar mucho más rápido que la velocidad de deriva de los electrones, y en frecuencias medidas en THz, los transistores ópticos deberían ser capaces de alcanzar frecuencias extremadamente altas. Sin embargo, cualquier onda electromagnética debe obedecer al límite de transformación y, por lo tanto, la velocidad a la que un transistor óptico puede responder a una señal todavía está limitada por su ancho de banda espectral. En las comunicaciones por fibra óptica, los límites prácticos, como la dispersión, a menudo limitan los canales a anchos de banda de decenas de GHz, sólo ligeramente mejores que muchos transistores de silicio. Por lo tanto, obtener un funcionamiento dramáticamente más rápido que los transistores electrónicos requeriría métodos prácticos para transmitir pulsos ultracortos a través de guías de ondas altamente dispersivas.

Lógica fotónica

La lógica fotónica es el uso de fotones (luz) en puertas lógicas (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). La conmutación se obtiene utilizando efectos ópticos no lineales cuando se combinan dos o más señales.

Los resonadores son especialmente útiles en lógica fotónica, ya que permiten una acumulación de energía a partir de interferencias constructivas, mejorando así los efectos ópticos no lineales.

Otros enfoques que se han investigado incluyen la lógica fotónica a nivel molecular, utilizando productos químicos fotoluminiscentes. En una demostración, Witlicki et al. Realizó operaciones lógicas utilizando moléculas y SERS.

Enfoques no convencionales

El tiempo retrasa la computación óptica

La idea básica es retrasar la luz (o cualquier otra señal) para realizar cálculos útiles. Sería interesante resolver problemas NP completos, ya que son problemas difíciles para las computadoras convencionales.

Hay dos propiedades básicas de la luz que realmente se utilizan en este enfoque:

• La luz se puede retrasar pasando por una fibra óptica de cierta longitud.
• La luz se puede dividir en múltiples (sub)rayos. Esta propiedad también es esencial porque podemos evaluar múltiples soluciones al mismo tiempo.

Al resolver un problema con retrasos de tiempo se deben seguir los siguientes pasos:

• El primer paso es crear una estructura tipo gráfico hecha de cables ópticos y separadores. Cada gráfico tiene un nodo de inicio y un nodo de destino.
• La luz entra por el nodo de inicio y atraviesa el gráfico hasta llegar al destino. Se retrasa cuando pasa por arcos y se divide en nodos.
• La luz está marcada cuando pasa por un arco o por un nodo para poder identificar fácilmente ese hecho en el nodo de destino.
• En el nodo de destino esperamos una señal (fluctuación en la intensidad de la señal) que llega a un momento particular (s) en el tiempo. Si no hay señal que llegue a ese momento, significa que no tenemos solución para nuestro problema. De lo contrario el problema tiene una solución. Las fluctuaciones se pueden leer con un fotodetector y un osciloscopio.

El primer problema atacado de esta manera fue el problema del camino hamiltoniano.

El más simple es el problema de la suma de subconjuntos. A continuación se muestra un dispositivo óptico que resuelve una instancia con cuatro números {a1, a2, a3, a4}:

La luz entrará en el nodo Inicio. Se dividirá en dos (sub) rayos de menor intensidad. Estos dos rayos llegarán al segundo nodo en momentos a1 y 0. Cada uno de ellos se dividirá en dos subrayos que llegará al tercer nodo en los momentos 0, a1, a2 y a1 + a2. Estos representan todos los subconjuntos del conjunto {a1, a2}. Esperamos fluctuaciones en la intensidad de la señal en no más de cuatro momentos diferentes. En el nodo de destino esperamos fluctuaciones en no más de 16 momentos diferentes (que son todos los subconjuntos de los dados). Si tenemos una fluctuación en el momento objetivo B, significa que tenemos una solución del problema, de lo contrario no hay subconjunto cuya suma de elementos igual B. Para la implementación práctica no podemos tener cables de longitud cero, por lo tanto todos los cables se aumentan con un pequeño valor (fijo para todos) k'. En este caso se espera la solución en el momento B+n×k.

Fotonico en el niño Tensor Cores

Con las crecientes demandas de tecnologías de aceleradores basadas en unidades de procesamiento gráfico, en la segunda década del siglo XXI, se ha hecho un gran énfasis en el uso de ópticas integradas en chips para crear procesadores basados en fotónica. La aparición de redes neuronales de aprendizaje profundo basadas en modulación de fase y, más recientemente, de modulación de amplitud utilizando memorias fotónicas ha creado una nueva área de tecnologías fotónicas para la computación neuromórfica, lo que ha llevado a nuevas tecnologías de computación fotónica, todo en un chip como el núcleo tensor fotónico. .

Computación basada en longitud de onda

La computación basada en longitud de onda se puede utilizar para resolver el problema 3-SAT con n variables, m cláusulas y con no más de tres variables por cláusula. Cada longitud de onda contenida en un rayo de luz se considera como posible asignación de valores a n variables. El dispositivo óptico contiene prismas y espejos que se utilizan para discriminar las longitudes de onda adecuadas que satisfacen la fórmula.

Computación mediante fotocopias de transparencias

Este enfoque utiliza una fotocopiadora y hojas transparentes para realizar cálculos. El problema de k-SAT con n variables, m cláusulas y como máximo k variables por cláusula se ha resuelto en tres pasos:

• Primero los 2ⁿ posibles asignaciones de n variables se han generado realizando n fotocopias.
• Usando a la mayoría 2k copias de la tabla de la verdad, cada cláusula se evalúa en cada fila de la tabla de la verdad simultáneamente.
• La solución se obtiene mediante la realización de una sola copia de las transparencias superpuestas de todos m cláusulas.

Enmascarar haces ópticos

El problema del viajante ha sido resuelto por Shaked et al. (2007) mediante el uso de un enfoque óptico. Todas las rutas TSP posibles se generaron y almacenaron en una matriz binaria que se multiplicó por otro vector en escala de grises que contiene las distancias entre ciudades. La multiplicación se realiza ópticamente utilizando un correlador óptico.

Coprocesadores ópticos de Fourier

Muchos cálculos, particularmente en aplicaciones científicas, requieren el uso frecuente de la transformada discreta de Fourier (DFT) 2D, por ejemplo, para resolver ecuaciones diferenciales que describen la propagación de ondas o la transferencia de calor. Aunque las tecnologías de GPU modernas suelen permitir el cálculo de alta velocidad de grandes DFT 2D, se han desarrollado técnicas que pueden realizar ópticamente una transformada de Fourier continua utilizando la propiedad de transformación de Fourier natural de las lentes. La entrada se codifica mediante un modulador de luz espacial de cristal líquido y el resultado se mide mediante un sensor de imagen CMOS o CCD convencional. Estas arquitecturas ópticas pueden ofrecer una escala superior de complejidad computacional debido a la naturaleza inherentemente altamente interconectada de la propagación óptica y se han utilizado para resolver ecuaciones de calor 2D.

Máquinas de grabación

Las computadoras físicas cuyo diseño se inspiró en el modelo teórico de Ising se denominan máquinas Ising.

El laboratorio de Yoshihisa Yamamoto en Stanford fue pionero en la construcción de máquinas Ising utilizando fotones. Inicialmente, Yamamoto y sus colegas construyeron una máquina Ising utilizando láseres, espejos y otros componentes ópticos que se encuentran comúnmente en una mesa óptica.

Más tarde, un equipo de Hewlett Packard Labs desarrolló herramientas de diseño de chips fotónicos y las utilizó para construir una máquina Ising en un solo chip, integrando 1052 componentes ópticos en ese único chip.

Industria

Algunas empresas adicionales involucradas en el desarrollo de la informática óptica incluyen IBM, Microsoft, Procyon Photonics, Lightelligence, Lightmatter, Optalysys, Xanadu Quantum Technologies, ORCA Computing, PsiQuantum, Quandela [fr] y TundraSystems Global.