Computación óptica - Optical computing

La computación óptica o computación fotónica utiliza fotones producidos por láseres o diodos para la computación. Durante décadas, los fotones se han mostrado prometedores para permitir un ancho de banda mayor 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 por 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 computación óptica comercial, ya que los componentes ópticos podrían integrarse en 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.

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

Componentes ópticos para computadora digital binaria

El bloque de construcción fundamental de las computadoras electrónicas modernas es el transistor . Para reemplazar componentes electrónicos por ópticos, se requiere un transistor óptico equivalente . Esto se logra utilizando materiales con un índice de refracción no lineal . En particular, existen materiales donde la intensidad de la luz entrante afecta la intensidad de la luz transmitida a través del material de manera similar a la respuesta de corriente de un transistor bipolar. Dicho transistor óptico 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 . Estos serán cristales ópticos no lineales que se utilizarán para manipular los rayos de luz para controlar otros rayos de luz.

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

  1. procesador óptico
  2. transferencia de datos ópticos, p. ej. cable de fibra óptica
  3. almacenamiento óptico ,

La sustitución de componentes eléctricos necesitará una conversión de 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; si pueden o no competir con las computadoras electrónicas basadas en semiconductores en términos de velocidad, consumo de energía, costo y tamaño es una pregunta abierta. Los críticos señalan que los sistemas lógicos del mundo real requieren "restauración del nivel lógico, capacidad de cascada, abanico y aislamiento de entrada-salida", todos los cuales actualmente son proporcionados por transistores electrónicos a bajo costo, baja potencia y alta velocidad. Para que la lógica óptica sea competitiva más allá de unas pocas aplicaciones de nicho, se requerirían avances importantes en la tecnología de dispositivos ópticos no lineales, o tal vez un cambio en la naturaleza de la informática en sí.

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 , solo 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 un ordenador óptico requieran más potencia y dimensiones más grandes que los de un ordenador electrónico convencional que utiliza transistores.

Otro concepto erróneo es que, dado que la luz puede viajar mucho más rápido que la velocidad de deriva de los electrones, y a frecuencias medidas en THz , los transistores ópticos deberían ser capaces de alcanzar frecuencias extremadamente altas. Sin embargo, cualquier onda electromagnética debe obedecer el límite de transformación y, por lo tanto, la velocidad a la que un transistor óptico puede responder a una señal sigue estando limitada por su ancho de banda espectral . Sin embargo, en las comunicaciones de fibra óptica , los límites prácticos, como la dispersión, a menudo restringen los canales a anchos de banda de 10 s de GHz, solo un poco mejor 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

Realización de una puerta NOT fotónica controlada para su uso en computación cuántica

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 la 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

Retrasos en 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 2 propiedades básicas de la luz que se utilizan realmente en este enfoque:

  • La luz se puede retrasar pasándola 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, se deben seguir los siguientes pasos:

  • El primer paso es crear una estructura en forma de 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 atraviesa el gráfico hasta llegar al destino. Se retrasa al pasar por arcos y se divide dentro de los nodos.
  • La luz se marca 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 ninguna señal en ese momento, significa que no tenemos solución para nuestro problema. De lo contrario, el problema tiene solución. Las fluctuaciones se pueden leer con un fotodetector y un osciloscopio .

El primer problema que se atacó 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 4 números {a1, a2, a3, a4}:

Dispositivo óptico para resolver el problema de la suma de subconjuntos

La luz entrará en el nodo de Inicio. Se dividirá en 2 (sub) rayos de menor intensidad. Estos 2 rayos llegarán al segundo nodo en los momentos a1 y 0. Cada uno de ellos se dividirá en 2 subrrayos que llegarán al tercer nodo en los momentos 0, a1, a2 y a1 + a2. Éstos representan todos los subconjuntos del conjunto {a1, a2}. Esperamos fluctuaciones en la intensidad de la señal en no más de 4 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 hay un subconjunto cuya suma de elementos sea igual a B. Para la implementación práctica no podemos tener cables de longitud cero, por lo tanto, todos los cables son aumentado con un valor pequeño (fijo para todos) k. En este caso, la solución se espera en el momento B + n * k.

Computación basada en longitud de onda

La computación basada en longitud de onda se puede utilizar para resolver el problema de 3-SAT con n variables, m cláusulas y con no más de 3 variables por cláusula. Cada longitud de onda, contenida en un rayo de luz, se considera como posibles asignaciones de valor 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 fotocopiadora de transparencias

Este enfoque utiliza una máquina Xerox 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 3 pasos:

  • En primer lugar, las 2 ^ n posibles asignaciones de n variables se han generado realizando n copias xerox.
  • Usando 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 cláusulas m.

Enmascaramiento de haces ópticos

El problema del viajante de comercio ha sido resuelto por Shaked et al (2007) utilizando un enfoque óptico. Todas las posibles rutas de TSP se han generado y almacenado en una matriz binaria que se multiplicó por otro vector de escala de grises que contiene las distancias entre ciudades. La multiplicación se realiza ópticamente mediante el uso de 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 modernas de GPU generalmente permiten el cálculo de alta velocidad de grandes DFT 2D, se han desarrollado técnicas que pueden realizar la transformada de Fourier continua de forma óptica utilizando la propiedad natural de transformación de Fourier de las lentes . La entrada se codifica utilizando un modulador de luz espacial de cristal líquido y el resultado se mide utilizando un sensor de imagen CMOS o CCD convencional. Dichas arquitecturas ópticas pueden ofrecer una escala superior de complejidad computacional debido a la naturaleza intrínsecamente altamente interconectada de la propagación óptica, y se han utilizado para resolver ecuaciones de calor 2D.

Ising máquinas

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 1.052 componentes ópticos en ese solo chip.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos