La mayoría de los proyectos de investigación se centran en sustituir los componentes informáticos actuales por equivalentes ópticos, dando como resultado un sistema informático digital óptico que procese 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 . [1]
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 [2] y para clasificar datos ópticos en serie en el dominio del tiempo. [3]
Componentes ópticos para computadora digital binaria.
El componente fundamental de las computadoras electrónicas modernas es el transistor . Para sustituir componentes electrónicos por ópticos se requiere un transistor óptico equivalente. Esto se logra mediante óptica de cristal (utilizando materiales con un índice de refracción no lineal ). [4] En particular, existen materiales [5] donde 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 [6] [7] se puede utilizar para crear puertas lógicas ópticas , [7] 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:
procesador óptico
transferencia óptica de datos, por ejemplo, cable de fibra óptica
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 [9] 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 se proporciona mediante 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. [10]
Conceptos erróneos, desafíos y perspectivas
Un desafío importante para la computación óptica es que la computación es un proceso no lineal [ se necesita desambiguación ] en el que múltiples señales deben interactuar. La luz, que es una onda electromagnética , sólo puede interactuar con otra onda electromagnética en presencia de electrones en un material, [11] 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. [ cita necesaria ]
Otro error más [ ¿por quién? ] 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 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.
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. [7]
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 sustancias químicas fotoluminiscentes . En una demostración, Witlicki et al. Realizó operaciones lógicas usando moléculas y SERS . [12]
Enfoques no convencionales
El tiempo retrasa la computación óptica.
La idea básica es retrasar la luz (o cualquier otra señal) para realizar cálculos útiles. [13] 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 retardar haciéndola pasar a través de 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 en el tiempo se deben seguir los siguientes pasos:
El primer paso es crear una estructura similar a un gráfico hecha de cables ópticos y divisores. Cada gráfico tiene un nodo de inicio y un nodo de destino.
La luz entra por el nodo de inicio y recorre el gráfico hasta llegar al destino. Se retrasa al pasar a través de arcos y dividirse dentro de los nodos.
La luz queda marcada al pasar por un arco o por un nodo para que podamos identificar fácilmente ese hecho en el nodo de destino.
En el nodo de destino esperaremos una señal (fluctuación en la intensidad de la señal) que llega en un momento determinado en el tiempo. Si no llega señal en ese momento significa que no tenemos solución a nuestro problema. De lo contrario el problema tiene solución. Las fluctuaciones se pueden leer con un fotodetector y un osciloscopio .
El más simple es el problema de la suma de subconjuntos . [14] 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 los momentos a1 y 0. Cada uno de ellos se dividirá en dos subrayos que llegarán 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 lo dado). Si tenemos una fluctuación en el momento objetivo B , significa que tenemos una solución del problema, de lo contrario no existe ningún subconjunto cuya suma de elementos sea igual a B . Para la implementación práctica no podemos tener cables de longitud cero, por lo que todos los cables se incrementan con un valor pequeño (fijo para todos) k'. En este caso se espera la solución en el momento B+n×k .
Núcleos tensores fotónicos en chip
Con las crecientes demandas de tecnologías de aceleradores basados en unidades de procesamiento gráfico, en la segunda década del siglo XXI se ha hecho un enorme 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 [15] y, más recientemente, modulación de amplitud utilizando memorias fotónicas [16] han creado una nueva área de tecnologías fotónicas para la computación neuromórfica, [17] [18] que conduce a una nueva computación fotónica. tecnologías, todo en un chip como el núcleo tensor fotónico. [19]
Computación basada en longitud de onda
La computación basada en longitud de onda [20] 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. [21]
Computación mediante fotocopias de transparencias
Este enfoque utiliza una fotocopiadora y hojas transparentes para realizar cálculos. [22] El problema k-SAT con n variables, m cláusulas y como máximo k variables por cláusula se ha resuelto en tres pasos: [23]
En primer lugar, las 2 n posibles asignaciones de n variables se han generado realizando n fotocopias.
Utilizando como máximo 2k copias de la tabla de verdad, cada cláusula se evalúa en cada fila de la tabla de verdad simultáneamente.
La solución se obtiene realizando una operación de copia única de las transparencias superpuestas de todas las m cláusulas.
Enmascaramiento de haces ópticos
El problema del viajante ha sido resuelto por Shaked et al. (2007) [24] 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 normalmente permiten 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. [25]
maquinas ising
Las computadoras físicas cuyo diseño se inspiró en el modelo teórico de Ising se denominan máquinas Ising. [26] [27] [28]
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 . [26] [27]
Posteriormente, 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 1.052 componentes ópticos en ese único chip. [26]
Industria
Algunas empresas adicionales involucradas en el desarrollo de la informática óptica incluyen IBM , [29] Microsoft , [30] Procyon Photonics, [31] Lightelligence, [32] Lightmatter, [33] Optalysys , [34] Xanadu Quantum Technologies , ORCA Computing, PsiQuantum , Quandela. [fr] y TundraSystems Global. [35]
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enlaces externos
Medios relacionados con la informática óptica en Wikimedia Commons
Este truco con láser es un salto cuántico
Photonics Startup Pegs Q2'06 Fecha de producción Archivado el 16 de mayo de 2007 en archive.today
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