XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

В отличие от классических ЭВМ, в которых используются электроны, оптические (фотонные) компьютеры основаны на использовании фотонов, генерируемых лазерами или диодами. Поскольку фотоны не имеют массы и движутся с большей скоростью, нежели электроны, считается, что оптический компьютер будет обладать сверхвысокой скоростью, энергоэффективностью и способностью обрабатывать информацию, используя сразу несколько временны́х или пространственных оптических каналов.

Если в цифровом компьютере в качестве вычислительного элемента используются единицы и нули, то оптический компьютер оперирует непрерывной фазой светового сигнала. Вычисления в оптическом компьютере обычно выполняются путем сложения двух световых волн от разных источников и проецирования полученного результата на состояния «0» или «1» [1].

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. [2].

Однако оптоэлектронные приборы теряют 30 % энергии при преобразовании электроэнергии в свет и обратно, что также замедляет скорость передачи информации в оптоэлектронных повторителях. В гипотетическом полностью оптическом компьютере не будет преобразования сигнала из оптического в электрический и обратного преобразования в оптический сигнал. [3].

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 [2].

Один из возможных вариантов — использование материалов с нелинейными оптическими эффектами, в частности, нелинейное поведение показателя преломления.

Уже найдены некоторые материалы у которых интенсивность входящего излучения влияет на интенсивность проходящего излучения, такое поведение образно сравнивают с семейством вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводникового транзистора. Подобные «оптические транзисторы» могли бы использоваться для создания оптических логических вентилей[рис.1], из которых собирались бы более сложные логические схемы. Однако, многие нелинейные эффекты требуют очень большой интенсивности управляющих сигналов [3].

Рис.1 Управляемый квантвооптический вентиль NOT (CNOT). A — управляющий бит; B — результирующий бит; D₁—D₄ — фотодетекторы; М1—М5 — зеркала; PBS1, PBS2 —частично поляризующие расщепители светового пучка; F1—F4 — светофильтры; P1—P6 — поляризаторы; BBO — нелинейный оптический элемент, пластинка из бета-бората бария (β-BaB₂O₄); b1—b4, a1—a4 — световые пучки λ/2 — полуволновые пластинки [3]

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 [2].

Обсудим основные методы аналоговых вычислений, производимых в аналоговых оптических компьютерах, с использованием основных законов оптики. Прежде всего, обратимся к рис. 23, поясняющему, как с помощью светового луча можно выполнять хорошо знакомые всем нам операции сложения и умножения. На [рис.2] показано, как несколько световых лучей собираются в одной точке. В данном случае собираются три луча: А, В и С, и если измерить интенсивность света в этой точке, то легко догадаться, что полученное значение представляет собой сумму интенсивностей лучей А, В и С. Если воспользоваться линзой, то можно облегчить фокусировку лучей, т.е. еще более упростить выполнение операции сложения. [4]

Рис.2 Основные аналоговые оптические операции: а — сложение; б —
сложение с помощью линзы; в — умножение на основе эффекта
пропускания света; г — умножение на основе эффекта отражения света.

Фотонная логика гипотетически должна использовать отдельные фотоны света в логических вентилях (таких как NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Переключательные функции можно бы реализовать нелинейными оптическими эффектами, вызываемых одним управляющим оптическим сигналом и воздействующих на другой оптический сигнал. При реализации фотонной логики могут быть необходимы оптические резонаторы, увеличивающие энергию за счёт усиливающей интерференции (интерференции в одной фазе) и упрощающие возникновение нелинейных эффектов.

Также исследуется фотонная логика на отдельных молекулах с использованием эффекта фотолюминисценции. В 2011 году Witlicki и др. продемонстрировали выполнение логических операций на молекулах с использованием рамановской спектроскопии SERS[3]

В реальной жизни нередко возникают сложные нелинейные задачи с  множеством неизвестных, которые при перемножении одновременно изменяют значения других неизвестных, и традиционная схема оптических вычислений с линейным сложением световых волн в такой постановке уже не работает.

Профессор факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета и Центра Сколтеха по фотонике и квантовым материалам (CPQM) Наталья Берлова и аспирант Сколтеха Никита Строев установили, что в оптических системах функции, описывающие световые волны, можно не складывать, а умножать,  получая таким образом другой тип взаимодействия между волнами.

Исследователи проиллюстрировали этот феномен с помощью поляритонов – квазичастиц, состоящих наполовину из света и наполовину из материи, а также рассмотрели эту идею применительно к более широкому классу оптических систем, таких как световые импульсы в волокне. Поскольку поляритоны частично состоят из материи, то, находясь в пространстве, сверхбыстрые когерентные поляритоны могут генерировать очень слабые импульсы или образовывать кластеры, нелинейно перекрывая друг друга [1].

Несколько компаний представляли прототипы оптоэлектрических аналоговых систем, использующих пространственные модуляторы, управляемые электрическими сигналами. Создателями данных установок предлагалось несколько вариантов систем, которые могут быть решены подобными системами.

Оптический компьютер компании «Bell labs »

Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году группой Алана Хуанга (Alan Huang) в Bell Labs и получил противоречивые отзывы.

DOC-II

Следующий прототип 1991 года носил название «DOC-II» (англ. DigitalOpticalComputer — цифровой оптический компьютер). В нём использовалось 64 лазера, матричный пространственный модулятор размером 64х128 (элементы матрицы — ячейки Брэгга из фосфида галлия) и 128 фотодетекторов, оптическая схема могла выполнять умножение булевых векторов и матриц.

Оптический компьютер компании «Lenslet»

Компанией «Lenslet» в 2003 году был продемонстрирован оптический DSP-процессор EnLight256. Особенностью его архитектуры является то, что, в то время, как процессорное ядро основано на аналоговых оптических технологиях, все входы, выходы и управляющие схемы — электронные. Этот процессор способен выполнять, по заявлениям авторов, до 8×10¹² элементарных операций над 8-битными целыми в секунду. 256 лазеров освещают пространственно-световой модулятор MQWSLM размером 256x256 ячеек (с электронным управлением), 256 фотодетекторов считывают аналоговый результат. Таким образом, процессор выполняет векторно-матричную операцию. Управляющая матрица MQWSLM может перенастраиваться на новые данные несколько миллионов раз в секунду.

EnLight Alpha

Демонстрационный процессор EnLight Alpha (с модулятором 64x64) изучался в ORNL, на нём была проверена работа дискретного преобразования Фурье с 8-битной точностью. Несмотря на шумы квантования из-за малой длины двоичных слов для данных с малой амплитудой при обработке этой системой были успешно найдены все спектральные максимумы [3]

В данный момент разработка оптического компьютера идёт по трем направлениям:

1. Основано на использовании аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных специальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований.
2. Создание гибридных электронно фотонных систем. С использованием оптических компонентов в классическом компьютере

3. Создание чисто фотонных компьютеров, полностью состоящих

из оптических компонентов [5].

Преимущества оптических компьютеров — это использование фотонов, а не электрического тока:

1.Частота световой волны намного выше частоты электрических сигналов и волн, поэтому в определённые моменты времени можно передавать больше информации. Кроме того, поскольку длина световой волны ничтожно мала, то можно обрабатывать информацию с высокой скоростью.

2.Так как свет почти не нагревается, оптический компьютер не будет перегреваться и выделять огромного количества тепла как обычный компьютер. 3. Ключевое преимущество использования света - это его способность проходить через другие лучи света, в отличие от электрического тока [5].

Недостатки оптических технологий

По состоянию на 2009 год в полностью оптических системах плохо реализуются запоминающие устройства и операции над отдельными битами, поэтому такие технологии находят применение лишь пока в переключении оптических сигналов в зависимости от длины волны излучения и переключения по разным оптическим волокнам (в частности, в OADM).

Заблуждения, проблемы и перспективы

Часто заявляется, что эксплуатация оптических компьютеров будет энергоэкономичной, однако в оптических системах при передаче информации на малое расстояние зачастую необходимо использовать большую мощность, чем в электрических и электронных системах. Это вызвано тем, что дробовой шум в оптических каналах выше, чем тепловой шум в электрических каналах, — из-за этого требуется более высокий уровень сигнала для сохранения соотношения сигнал/шум при реализации высокоскоростного канала. Лишь при увеличении длины канала связи потери в электрических каналах нарастают быстрее, чем в оптических, поэтому длинные высокоскоростные каналы связи уже в настоящее время реализуют с помощью оптической связи. Имеется тенденция при увеличении скоростей передачи информации заменять всё более короткие электронные каналы связи оптическими каналами, в частности оптические кабели становятся более популярными, чем электрические для высокоскоростных версий Ethernet (10G, 40G, 100G) уже при длине не более 10 метров.

Существенной проблемой для полностью оптической обработки информации является слабое взаимодействие нескольких оптических сигналов. Свет представляет собой электромагнитную волну, которая не может взаимодействовать с другой электромагнитной волной в вакууме из-за его линейности, что формулируется как принцип суперпозиции. Взаимодействие световых пучков возможно лишь в оптически нелинейных материалах, и степень такого взаимодействия для электромагнитных волн значительно ниже, чем для электрических сигналов в традиционных компьютерах. Из-за этого переключающие элементы оптического компьютера требуют большие мощности сигналов и оказываются больше по размерам, чем существующие электронные схемы [3].

Будет ли существовать полностью оптический компьютер и придется ли его время создание на ближайшее наше будущее – весьма интригующие вопросы. Такие же вопросы задавались о полностью программируемом классическом компьютере век назад. Остается надеяться, что по мере того, как мы будем подходить ближе к осуществлению этой идеи, мы откроем новые материалы, инструменты и методы, которые нам в этом помогут. Ясно, что потребуется большая дополнительная исследовательская работа, прежде чем человечество освоит фотонные квантовые технологии достаточно, чтобы полностью масштабировать оптический квантовый компьютер, и тогда человечество окончательно вступит в новую технологическую реальность

Список литературы

1. [Электронный ресурс]. URL: https://www.skoltech.ru/2021/02/opticheskie-kompyutery-reshenie-slozhnyh-vychislitelnyh-zadach-putem-peremnozheniya-svetovyh-signalov/ (дата обращения: 20.12.2022).

2. Международный научный журнал «Инновационная наука» No8/2015 ISSN 2410-6070 83; УДК 004.2; С.П. Шмидт, В.В. Иванов; Уфимский государственный авиационный технический университет

3. [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптический_компьютер (дата обращения: 20.12.2022).

4. В.Г. Беспалов; УДК 535+519.7; 681.3.01«Основы оптоинформатики Часть I. Информационные технологии – от электронного к оптическому компьютеру» СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 – 52 с

5. “Перспективы развития ЭВМ: квантовые компьютеры, оптические компьютеры, биокомпьютеры на основе ДНK”; А.В. Сироткин, Т.Н.Фролова; Институт информационных технологий и радиоэлектроники.

Код для цитирования: Скопировать