Semnalele luminoase de „multiplicare” pot fi cheia computerelor optice ultra-puternice

Noul tip de calcul optic poate rezolva probleme foarte complexe care nu sunt la îndemâna nici măcar a celor mai puternice supercomputere.

O clasă importantă de probleme de calcul provocatoare, cu aplicații la teoria graficelor, rețelelor neuronale, inteligenței artificiale și codurilor de corectare a erorilor, poate fi rezolvată prin multiplicarea semnalelor luminoase, potrivit cercetătorilor de la Universitatea Cambridge și Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo din Rusia.

Într-o lucrare de jurnal Scrisori de recenzie fizică, propun un nou tip de calcul care ar putea revoluționa calculul analogic prin reducerea dramatică a numărului de semnale luminoase necesare simplificând în același timp căutarea celor mai bune soluții matematice, permițând computerelor optice să fie foarte rapide.

Calculul optic sau fotonic folosește fotonii produși de lasere sau diode pentru calcul, spre deosebire de computerele clasice care utilizează electroni. Deoarece fotonii sunt în esență incomensurabili și pot călători mai repede decât electronii, un computer optic ar fi foarte rapid, eficient din punct de vedere energetic și capabil să proceseze informații simultan prin mai multe canale optice de timp sau spațiu.

Elementul de calcul dintr-un computer optic – o alternativă la cele și zerourile unui computer digital – este reprezentat de faza continuă a semnalului luminos, iar calculul se realizează în mod normal prin adăugarea a două unde de lumină provenind din două surse diferite și apoi proiectarea rezultă stările ‘0’ sau ‘1’.

Calculator optic cu impuls de lumină

Schema interacțiunilor impulsurilor de lumină pe măsură ce calculatorul optic propus rezolvă problemele de optimizare binară de ordinul cel mai înalt. Fazele de lumină provenite de la mai multe impulsuri de lumină sunt combinate pentru a schimba fazele fiecărui impuls de lumină până când se găsește soluția. Credit: Gleb Berloff

Cu toate acestea, viața reală prezintă probleme extrem de neliniare, în care multe necunoscute schimbă simultan valorile altor necunoscute în timp ce interacționează într-un mod multiplicativ. În acest caz, modul tradițional de calcul optic care combină undele luminoase într-un mod liniar eșuează.

Acum, profesorul Natalia Berloff de la Departamentul de matematică aplicată și fizică teoretică din Cambridge și doctorandul Nikita Stroev de la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo au descoperit că sistemele optice pot combina lumina prin înmulțirea funcțiilor unde care descriu undele de lumină. pentru ei un alt fel de legătură între undele luminoase.

Ei au ilustrat acest fenomen cu aproape particule numite polaritoni – care sunt jumătate de lumină și jumătate de materie – deoarece extind ideea la o clasă mai mare de sisteme optice, cum ar fi impulsurile de lumină dintr-o fibră. Impulsurile fine sau blocurile de polaritoni coerenți, super-mișcați pot fi create în spațiu și se suprapun între ele într-o manieră neliniară, datorită materiei constitutive a polaritonilor.

“Am găsit ingredientul cheie în modul în care pulsurile se combină între ele”, a spus Stroev. „Dacă luați în mod corespunzător combinația și intensitatea luminii, lumina se înmulțește, afectând fazele impulsurilor individuale, răspunzând la problemă. Acest lucru face posibilă utilizarea luminii pentru rezolvarea problemelor neliniare. ”

Înmulțirea funcțiilor de undă pentru a determina faza semnalului luminos în fiecare element al acestor sisteme optice provine din neliniaritatea care apare în mod natural sau este introdusă în sistem.

„Ceea ce a surprins este că nu este nevoie să proiectăm faza luminii continue în stările„ 0 ”și„ 1 ”necesare pentru rezolvarea problemelor din variabilele binare”, a spus Stroev. „În schimb, sistemul tinde să aducă aceste stări la sfârșitul căutării configurării puterii minime. Aceasta este proprietatea care provine din multiplicarea semnalelor luminoase. În schimb, mașinile optice anterioare au necesitat o excitație rezonantă care reglează fazele valorilor binare externe. “

Autorii au sugerat și implementat o modalitate de a direcționa traiectoriile sistemului către soluție prin schimbarea temporară a punctelor forte ale joncțiunii de semnal.

„Trebuie să începem să identificăm diferite clase de probleme care pot fi rezolvate direct de un procesor fizic dedicat”, a spus Berloff, care deține și o funcție la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo. „Problemele de optimizare binară de ordin superior sunt o astfel de clasă, iar sistemele optice pot fi eficientizate în rezolvarea lor”.

Există încă multe provocări de rezolvat înainte ca calculul optic să-și poată demonstra superioritatea în rezolvarea problemelor dificile în comparație cu computerele electronice moderne: reducerea zgomotului, corectarea erorilor, scalarea îmbunătățită, îndrumarea sistemului, cele mai bune se numără cu adevărat.

“Schimbarea cadrului nostru pentru a aborda direct diferite tipuri de probleme poate aduce mașinile de calcul optice mai aproape de rezolvarea problemelor din lumea reală care nu pot fi rezolvate de computerele clasice”, a spus Berloff.

Referință: „Optimizarea discretă a polinomului cu rețele coerente de condensate și terminarea unirii complexe” de Nikita Stroev și Natalia G. Berloff. 5 februarie 2021, Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.050504

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.