Войти

Оптические компьютеры: решение сложных вычислительных задач путем перемножения световых сигналов

1105
0
0
Оптические компьютеры
Оптические компьютеры.
Источник изображения: industry-hunter.com

В приложениях, основанных на использовании нейронных сетей, искусственного интеллекта и корректирующих кодов, существует обширный класс сложных вычислительных задач, которые можно решить, используя перемножение световых сигналов, считают исследователи из Кембриджского университета и Сколковского института науки и технологий (Сколтех).

В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, ученые предлагают новый вычислительный метод, который благодаря резкому сокращению количества необходимых световых сигналов с одновременным  упрощением процедуры поиска оптимальных математических решений может произвести настоящую революцию в аналоговых вычислениях, открывая перспективы для использования сверхбыстрых оптических компьютеров.

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».

Однако 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 Берлофф 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.

Оказалось, что самое главное — это найти способ объединить эти импульсы, — отмечает Никита Строев. — Если правильно их объединить и добиться нужной интенсивности света, свет будет усиливаться, оказывая влияние на фазы отдельных импульсов и тем самым подсказывая решение для нелинейных задач.

Перемножение волновых функций с целью определения фазы светового сигнала в каждом элементе оптической системы обусловлено нелинейностью, которая возникает естественным образом или привносится в систему извне.

Для нас стал неожиданностью тот факт, что проецировать непрерывные световые фазы на состояния« 0» и «1» (как это делается при решении задач в двоичных переменных)  больше не нужно, — рассказывает Никита Строев. — Система, как правило, сама генерирует эти состояния в результате поиска конфигураций с минимальной энергией. Возникновение этого эффекта как раз связано с перемножением световых сигналов. В исследованных ранее оптических машинах, напротив, использовалось резонансное возбуждение, с помощью которого световые фазы извне фиксировались на двоичных значениях.

Авторы также предложили и реализовали метод, позволяющий подводить систему к лучшему решению за счет временного изменения силы взаимодействия между сигналами.

Теперь нам нужно определить классы задач, которые можно решать с помощью специального физического процессора, — поясняет профессор Сколтеха Наталья Берлофф. — Одним из таких классов задач являются задачи бинарной оптимизации более высокого порядка, и оптические системы могут быть построены таким образом, чтобы  с высокой эффективностью решать такие задачи.

Однако прежде чем будет доказано превосходство оптических систем над существующими компьютерами в решении сложных вычислительных задач, предстоит разобраться с такими серьезными проблемами, как снижение шума, исправление ошибок, улучшение масштабируемости, поиск объективно оптимального решения и т.д.

Если наш подход адаптировать под конкретные типы задач, не исключено, что оптические компьютеры можно будет использовать для решения реальных проблем, с которыми классические компьютеры уже не в состоянии справиться, — сказала в заключение Наталья Берлофф. 

Права на данный материал принадлежат
Материал размещён правообладателем в открытом доступе
  • В новости упоминаются
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ
Ежедневная рассылка новостей ВПК на электронный почтовый ящик
  • Разделы новостей
  • Обсуждаемое
    Обновить
  • 02.07 06:17
Что впереди - Т-90М(n), Т-14, или Т-100?
  • 02.07 02:48
  • 1
Ответ на "Первая партия "Абрамсов" для Украины полностью уничтожена: следующая уже в Польше и ожидает доставки на фронт (Military Watch Magazine, США)"
  • 02.07 00:37
  • 0
Ответ на "Разнородные силы ТОФ нанесли ракетный удар по морской цели"
  • 01.07 23:06
  • 0
Ответ на "«Не соответствуют современным требованиям»: На Западе признали низкую эффективность ЗРК Patriot против российских ракет"
  • 01.07 22:42
  • 0
Ответ на "Финская наводка: самолеты НАТО отработали прорыв системы ПВО России"
  • 01.07 21:32
  • 1087
Израиль "готовился не к той войне" — и оказался уязвим перед ХАМАС
  • 01.07 11:46
  • 9533
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 01.07 09:42
  • 78
Россия использует пропаганду как средство войны против Запада - британский генерал
  • 01.07 08:31
  • 1
Ответ на "Всемирное Смутное время: хочет ли в действительности Европа воевать - Мнения ТАСС"
  • 01.07 06:57
  • 2
Вьетнам получил третий американский патрульный корабль типа Hamilton
  • 30.06 20:41
  • 2
Проблемному российскому самолету сменили конструктора
  • 30.06 19:13
  • 0
Ответ на "Су-35 отложат про запас"
  • 30.06 16:48
  • 1
Ковальчук: первая атомная станция для Луны будет готова к 2030 году
  • 30.06 16:09
  • 455
Израиль усиливает меры безопасности в связи с опасениями ударов со стороны Ирана
  • 30.06 13:19
  • 2
Всемирное Смутное время: хочет ли в действительности Европа воевать - Мнения ТАСС