Ako by „fotonické počítače“ mohli využívať svetlo namiesto elektriny

Počítač, ktorý používate, je elektronický. Inými slovami, využíva tok elektrónov na napájanie svojich výpočtov. Fotonické počítače, niekedy nazývané „optické“ počítače, by jedného dňa mohli robiť to, čo počítač s elektrónmi, ale namiesto toho s fotónmi.

Čo je také skvelé na optických počítačoch?

Optické počítače majú veľa sľubov. Teoreticky by plne optický počítač mal niekoľko výhod oproti elektronickým počítačom, ktoré používame dnes. Najväčšou výhodou je, že tieto počítače by bežali rýchlejšie a fungovali pri nižších teplotách ako elektronické systémy. S frekvenciami meranými v desiatkach gigahertzov s teoretickými frekvenciami meranými v terahertzoch.

Optické počítače by mali byť tiež vysoko odolné voči elektromagnetickému rušeniu. Skutočné fotóny v systéme by nemali byť ovplyvnené, ale laser alebo iný svetelný zdroj poskytujúci tieto fotóny by stále mohol byť vyradený.

Fotonika by tiež mohla poskytnúť vysokorýchlostné paralelné prepojenia, ktoré umožňujú paralelné počítačové systémy, pre ktoré sú elektróny príliš pomalé.

Fotonický systém, ktorý už používame

Aj keď zatiaľ neexistuje nič také ako plne optický počítač, neznamená to, že aspekty výpočtovej techniky už nie sú fotonické. Ten, ktorý už dnes väčšina ľudí používa, je vláknová optika. Aj keď doma nemáte optické pripojenie, všetky vaše sieťové pakety sa v určitom bode linky premenia na svetlo.

Vláknová optika spôsobila revolúciu v tom, koľko údajov môžeme preniesť cez relatívne tenké káble na neuveriteľne dlhé vzdialenosti. Dokonca aj pri réžii konverzie medzi elektrickými a fotonickými signálmi má vláknová optika exponenciálny vplyv na rýchlosť a šírku pásma komunikácie. Bolo by skvelé, keby sa zvyšok „pomalých“ elektrických výpočtových systémov mohol previesť na fotóny, ale ukázalo sa, že je to náročná úloha!

Fotonická hádanka nie je prasknutá

V čase písania tohto článku vedci a inžinieri stále neprišli na to, ako replikovať každý komponent počítača, ktorý v súčasnosti existuje v polovodičových procesoroch. Výpočet je nelineárny. Vyžaduje, aby sa rôzne signály vzájomne ovplyvňovali a menili výsledky iných komponentov. Musíte vytvoriť logické brány rovnakým spôsobom, akým sa polovodičové tranzistory používajú na vytvorenie logických brán, ale fotóny sa nesprávajú spôsobom, ktorý by s týmto prístupom prirodzene fungoval.

Tu prichádza do úvahy fotonická logika. Použitím nelineárnej optiky je možné vytvoriť logické brány podobné tým, ktoré sa používajú v konvenčných procesoroch. Aspoň teoreticky by to bolo možné. Existuje mnoho praktických a technologických prekážok, ktoré treba prekonať, kým fotonické počítače zohrajú významnú úlohu.

Fotonické počítače môžu odomknúť AI

Aj keď v súčasnosti existujú limity na to, aké typy výpočtovej fotonickej technológie možno použiť, jednou oblasťou vzrušenia je hlboké učenie. Hlboké učenie je podmnožinou v oblasti umelej inteligencie a následne strojového učenia.

Vo fascinujúcom článku Dr. Ryana Hamerlyho (MIT) tvrdí, že fotonika je obzvlášť vhodná pre typ matematiky používanej v hlbokom učení. Ak fotonické čipy, ktoré pracujú na realizácii, naplnia svoj potenciál, mohlo by to mať veľký vplyv na hlboké učenie. Podľa Hamerlyho:

Je však jasné, že aspoň teoreticky má fotonika potenciál urýchliť hlboké učenie o niekoľko rádov.

Vzhľadom na to, aká veľká časť našej špičkovej technológie sa dnes pri svojej mágii spolieha na strojové učenie, fotonika by mohla byť viac než len obskúrne odvetvie teoretických výpočtov.

Hybridné systémy sú pravdepodobné

V dohľadnej budúcnosti neuvidíme čisto fotonické systémy. Oveľa pravdepodobnejšie je, že určité časti superpočítačov a iných vysokovýkonných výpočtových systémov môžu byť fotonické. Fotonické komponenty by mohli postupne vylepšiť alebo prevziať špecifické typy výpočtov. Podobne ako kvantové procesory D-Wave sa používajú na vykonávanie veľmi špecifických výpočtov, pričom zvyšok majú na starosti bežné počítače.

Takže kým jedného dňa (takpovediac) neuvidíme svetlo, fotonika bude pravdepodobne napredovať pomaly, ale stabilne v pozadí, kým nebude pripravená spustiť ďalšiu počítačovú revolúciu.