XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В моей работе я обобщил информацию о текущих продвижениях в квантовой фотонике и предположили возможное будущее оптических компьютеров.

Ключевые слова:Оптический компьютер, фотоника, лазерная технология.

In my work, I have summarized information about current advances in quantum photonics and suggested a possible future for optical computers.

Key words: Optical computer, photonics, laser technology.

Введение

В недалеком будущем, у нас дома могут появиться компактные и энергоэффективные оптические компьютеры, способные выполнять квадриллионы операций в секунду. Фотоника уже начала революцию в мире компьютеров. Оптоволоконные линии передачи данных несут информацию с невероятной скоростью и не страдают от электромагнитных помех, как обычные классические кабели. Что если построить компьютер, который использует свет для передачи информации вместо электричества?

Оптический компьютер - это устройство обработки информации с использованием света. Важно, что частота световой волны на несколько порядков выше частоты электрических сигналов и волн, используемых в кремниевой технологии. Так, если электрическая волна в радиотехнике совершает приблизительно 100 тысяч колебаний в секунду, то световая волна имеет частоту, которая в 10-100 миллионов раз превосходит это значение. Потому с ее помощью в фиксированный интервал времени можно передавать большее число сигналов, а значит и информации. Кроме того, поскольку длина световой волны ничтожно мала, то имеется возможность обработки информации с необычайно высокой скоростью.

Уже сейчас можно представить концепт такого полностью оптического компьютера. Существующие технологии позволяют создавать однофотонные транзисторы, которые в отличие от существующих кремниевых, потребляют значительно меньше энергии и более высокочувствительны. Также преимуществами такой технологии являются: параллельная передача информации за один световой пучок; возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации; обработка информации возможна во время ее передачи через оптическую систему, которая реализует вычислительную среду; отдельно хочется отметить, что оптическая система не позволяет перехватывать информацию через окружающую среду. В свою очередь эти аспекты позволят разрешить множество проблем в сферах информационной безопасности и криптографии.

Что ещё важно, для учёных сложнее всего было создать фотонное запоминающее устройство, ведь сохранить информацию о свете как о заряде в мемристоре казалось невозможным, но и эта задача решена, благодаря использованию фотонных кристаллов и квантовых ям. Кроме того, существуют технологии, позволяющие создавать объёмные оптические структуры, что приведёт к ещё большей миниатюризации конечного продукта. Например, лазерная технология изменения коэффициента преломления внутри кристалла, не повреждающая его внешние слои, позволит создавать очень малые, сложные оптические структуры конвейерно, что приведёт к массовому переходу к оптическим системам.

Отметим также важность возможности питания конечной системы по оптоволокну без металлических составляющих, что ещё усилит защищённость от электромагнитных помех. Осуществить это позволит технология Power Over Fiber.

Теперь, представьте, полностью оптический компьютер: не только с оптическими шинами данных, но и с оперативной и физической оптопамятью; созданный с помощью объёмной технологии; энергоэкономный; настолько скоростной, что многие ещё и не в силах вообразить; с возможностью квантовых вычислений; вводом данных как при живом общении; с возможностью полной персонализации и высокой защищённостью личных данных.

Создание полностью оптического квантового компьютера – очень амбициозная цель, видимая нам сегодня, наравне с ожиданиями, как, вероятно, мечтали о полностью программируемом классическом компьютере век назад. Можно надеяться, что по мере того, как мы будем подходить ближе к этой цели, мы привыкнем контролировать контринтуитивные свойства квантовой механики, заодно открывая новые материалы, инструменты и методы, которые нам в этом помогут. Ясно, что потребуется большая дополнительная работа, прежде чем мы поймем фотонные квантовые технологии достаточно, чтобы полностью масштабировать оптический квантовый компьютер, и тогда мы приручим квантовый мир и окончательно вступим в новую технологическую реальность.

Список используемой литературы:

1. DARPA grand challenge 2016 http://grandchallenge.org/.

2. DARPA’s Urban Challenge 2017 http://thefutureofthings.com/3019-darpas-urban-challenge2017/.

3. Bezbogov S. A., Kirilchenko A. A., Platonov A. K., Pranichnikov V. E., Yaroshevsky V. S. Pathfinding problem and information support of mobile robots in uncertainty //Preprints of the 2nd IFAC Symp. on Intelligent Autonomous Vehicles, Helsinki, 2016, pp. 74–80.

4. NATURE Phonics 2018 http://www.nature.com/nphoton/index.html.

5. Quantum Physics 2016 http://arxiv.org/list/quant-ph/recent.