Benutzer:Raketeningenieur/Optische oder photonische Berechnungen

Optische oder photonische Berechnungen verwenden von Lasern oder Dioden erzeugte Photonen zur Berechnung. Seit Jahrzehnten versprechen die Photonen eine höhere Bandbreite als die in konventionellen Computern verwendeten Elektronen (siehe Lichtleitfasern).

Die meisten Forschungsprojekte konzentrieren sich darauf, die derzeitigen Computerkomponenten durch optische Äquivalente zu ersetzen, was zu einem optischen, digitalen Computersystem führt, das binäre Daten verarbeitet. Dieser Ansatz scheint kurzfristig die besten Aussichten für kommerzielle optische Berechnungen zu bieten, da optische Komponenten in herkömmliche Computer integriert werden könnten, um einen optisch-elektronischen Hybrid zu erzeugen. Optoelektronische Geräte verlieren jedoch 30% ihrer Energie, indem sie elektronische Energie in Photonen und zurück umwandeln; diese Umwandlung verlangsamt auch die Übertragung von Nachrichten. Bei rein optischen Computern entfällt die Notwendigkeit der optisch-elektrisch-optischen (OEO) Umwandlung, wodurch sich der Bedarf an elektrischer Energie verringert.[1]

Anwendungsspezifische Geräte wie SAR (Synthetic Aperture Radar) und optische Korrelatoren wurden entwickelt, um die Prinzipien des optischen Rechnens zu nutzen. Korrelatoren können z.B. zur Erkennung und Verfolgung von Objekten[2] und zur Klassifizierung von seriellen optischen Daten im Zeitbereich verwendet werden[3].

Optische Komponenten für binären Digitalrechner

Der grundlegende Baustein moderner elektronischer Computer ist der Transistor. Um elektronische Komponenten durch optische zu ersetzen, ist ein äquivalenter optischer Transistor erforderlich. Dies wird durch die Verwendung von Materialien mit einem nichtlinearen Brechungsindex erreicht. Insbesondere gibt es Materialien[4], bei denen die Intensität des einfallenden Lichts die Intensität des durch das Material durchgelassenen Lichts in ähnlicher Weise beeinflusst wie die Stromantwort eines Bipolartransistors. Ein solcher optischer Transistor[5][6] kann zur Erzeugung optischer Logikgatter verwendet werden,[6] die wiederum in die übergeordneten Komponenten der CPU des Computers eingebaut werden. Dabei handelt es sich um nichtlineare optische Kristalle, die zur Manipulation von Lichtstrahlen zur Steuerung anderer Lichtstrahlen verwendet werden.

Wie jedes Computersystem benötigt ein optisches Computersystem drei Dinge, um gut zu funktionieren:

einen optischen Prozessor

optische Datenübertragung, z.B. Glasfaserkabel

optischer Speicher,[7] z.B. CD/DVD/Blu-ray, etc.

Die Substitution elektrischer Komponenten erfordert eine Datenformatkonvertierung von Photonen in Elektronen, wodurch das System langsamer wird.

Kontroverse

Es gibt Meinungsverschiedenheiten zwischen den Forschern über die zukünftigen Fähigkeiten von optischen Computern; ob sie in Bezug auf Geschwindigkeit, Stromverbrauch, Kosten und Größe mit elektronischen Computern auf Halbleiterbasis konkurrieren können, ist eine offene Frage. Kritiker weisen darauf hin, dass[8] Logiksysteme in der realen Welt "Wiederherstellung der Logikebene, Kaskadierbarkeit, Fan-out und Isolation von Ein- und Ausgang" erfordern, die derzeit alle von elektronischen Transistoren zu niedrigen Kosten, geringer Leistung und hoher Geschwindigkeit bereitgestellt werden. Damit die optische Logik über einige wenige Nischenanwendungen hinaus wettbewerbsfähig ist, wären größere Durchbrüche in der Technologie der nichtlinearen optischen Bauelemente oder vielleicht eine Änderung der Natur der Computer selbst erforderlich[9].

Missverständnisse, Herausforderungen und Perspektiven

Eine bedeutende Herausforderung für die optische Datenverarbeitung ist, dass die Berechnung ein nichtlinearer Prozess ist, bei dem mehrere Signale zusammenwirken müssen. Licht, das eine elektromagnetische Welle ist, kann nur in Gegenwart von Elektronen in einem Material mit einer anderen elektromagnetischen Welle wechselwirken,[10] und die Stärke dieser Wechselwirkung ist für elektromagnetische Wellen, wie z.B. Licht, viel schwächer als für die elektronischen Signale in einem herkömmlichen Computer. Dies kann dazu führen, dass die Verarbeitungselemente für einen optischen Computer mehr Leistung und größere Abmessungen benötigen als die eines herkömmlichen elektronischen Computers mit Transistoren.[Zitat erforderlich]

Ein weiteres Missverständnis [von wem?] ist, dass, da sich Licht viel schneller als die Driftgeschwindigkeit von Elektronen und bei Frequenzen, die in THz gemessen werden, ausbreiten kann, optische Transistoren extrem hohe Frequenzen aufweisen sollten. Jede elektromagnetische Welle muss jedoch die Transformationsgrenze einhalten, und daher ist die Geschwindigkeit, mit der ein optischer Transistor auf ein Signal reagieren kann, immer noch durch seine spektrale Bandbreite begrenzt. In der faseroptischen Kommunikation beschränken praktische Grenzen wie die Dispersion die Kanäle jedoch oft auf Bandbreiten von 10 s GHz, was nur geringfügig besser ist als bei vielen Siliziumtransistoren. Um einen dramatisch schnelleren Betrieb als elektronische Transistoren zu erreichen, wären daher praktische Methoden zur Übertragung ultrakurzer Impulse über hochdispersive Wellenleiter erforderlich.

Photonische Logik

Realisierung eines photonisch gesteuerten NOT-Gates zur Verwendung in der Quanteninformatik

Photonische Logik ist die Verwendung von Photonen (Licht) in logischen ga

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Es gibt 2 grundlegende Eigenschaften des Lichts, die bei diesem Ansatz tatsächlich genutzt werden:

Das Licht kann verzögert werden, indem es durch eine optische Faser einer bestimmten Länge geleitet wird.

Das Licht kann in mehrere (Unter-)Strahlen aufgeteilt werden. Diese Eigenschaft ist auch deshalb wichtig, weil wir mehrere Lösungen in der gleichen Zeit auswerten können.

Bei der Lösung eines Problems mit Zeitverzögerungen müssen die folgenden Schritte befolgt werden:

Der erste Schritt ist die Erstellung einer graphenartigen Struktur aus optischen Kabeln und Splitter. Jeder Graph hat einen Start- und einen Zielknoten.

Das Licht tritt durch den Startknoten ein und durchquert den Graphen, bis es das Ziel erreicht. Es wird beim Durchlaufen von Bögen verzögert und innerhalb der Knoten geteilt.

Das Licht wird markiert, wenn es durch einen Bogen oder durch einen Knoten läuft, so dass wir diese Tatsache am Zielknoten leicht erkennen können.

Am Zielknoten warten wir auf ein Signal (Schwankung der Signalintensität), das zu einem bestimmten Zeitpunkt oder zu bestimmten Zeitpunkten eintrifft. Wenn zu diesem Zeitpunkt kein Signal eintrifft, bedeutet dies, dass wir keine Lösung für unser Problem haben. Andernfalls hat das Problem eine Lösung. Die Schwankungen können mit einem Fotodetektor und einem Oszilloskop gelesen werden.

Das erste Problem, das auf diese Weise angegriffen wurde, war das Hamiltonian-Pfad-Problem[12].

Das einfachste ist das Teilmengen-Summenproblem.[13] Ein optisches Gerät, das eine Instanz mit 4 Zahlen {a1, a2, a3, a4} löst, ist unten dargestellt:

Optische Vorrichtung zur Lösung des Teilmengensummenproblems

Das Licht wird in den Startknoten eintreten. Es wird in 2 (Unter-)Strahlen mit geringerer Intensität aufgeteilt. Diese 2 Strahlen treffen im zweiten Knoten zu den Zeitpunkten a1 und 0 ein, und werden jeweils in 2 Unterstrahlen aufgeteilt, die im dritten Knoten zu den Zeitpunkten 0, a1, a2 und a1 + a2 eintreffen. Diese repräsentieren alle Untermengen der Menge {a1, a2}. Wir erwarten Schwankungen in der Intensität des Signals zu nicht mehr als 4 verschiedenen Zeitpunkten. Im Zielknoten erwarten wir Fluktuationen zu nicht mehr als 16 verschiedenen Zeitpunkten (das sind alle Untermengen der gegebenen Menge). Wenn wir eine Fluktuation im Zielmoment B haben, bedeutet dies, dass wir eine Lösung des Problems haben, andernfalls gibt es keine Untermenge, deren Summe der Elemente gleich B ist. Für die praktische Umsetzung können wir keine Kabel von Nulllänge haben, daher werden alle Kabel mit einem kleinen (für alle festen) Wert k erhöht. In diesem Fall wird die Lösung zum Zeitpunkt B+n*k erwartet.

Wellenlängenbasierte Berechnung

Wellenlängenbasierte Berechnungen[14] können zur Lösung des 3-SAT-Problems mit n Variablen, m-Satz und mit nicht mehr als 3 Variablen pro Satz verwendet werden. Jede Wellenlänge, die in einem Lichtstrahl enthalten ist, wird als mögliche Wertzuweisung zu n Variablen betrachtet. Die optische Vorrichtung enthält Prismen, und Spiegel werden zur Unterscheidung der richtigen Wellenlängen verwendet, die der Formel entsprechen.

Berechnung durch Kopieren von Transparenzen

Bei diesem Ansatz werden ein Xerox-Gerät und transparente Blätter zur Durchführung der Berechnungen verwendet.[15] Das k-SAT-Problem mit n Variablen, m Klauseln und höchstens k Variablen pro Klausel wurde in 3 Schritten gelöst:

Zuerst wurden alle 2^n möglichen Zuweisungen von n Variablen durch die Durchführung von n Xerokopien erzeugt.

Unter Verwendung von höchstens 2k Kopien der Wahrheitstabelle wird jeder Satz in jeder Zeile der Wahrheitstabelle gleichzeitig ausgewertet.

Die Lösung wird durch eine einzige Kopieroperation der überlappenden Transparenzen aller m Klauseln erreicht.

Maskierung optischer Strahlen

Das Problem der Handelsreisenden wurde in[16] durch einen optischen Ansatz gelöst. Alle möglichen TSP-Pfade wurden generiert und in einer binären Matrix gespeichert, die mit einem weiteren Graustufenvektor, der die Entfernungen zwischen den Städten enthält, multipliziert wurde. Die Multiplikation wird optisch mit Hilfe eines optischen Korrelators durchgeführt.

Optische Fourier-Coprozessoren

Viele Berechnungen, insbesondere in wissenschaftlichen Anwendungen, erfordern eine häufige Verwendung der diskreten 2D-Fourier-Transformation (DFT) - zum Beispiel bei der Lösung von Differentialgleichungen, die die Ausbreitung von Wellen oder die Übertragung von Wärme beschreiben. Obwohl moderne GPU-Technologien in der Regel Hochgeschwindigkeitsberechnungen großer 2D-DFTs ermöglichen, wurden Techniken entwickelt, die DFTs optisch durchführen können, indem die natürliche Fourier-Transformationseigenschaft von Linsen genutzt wird. Die Eingabe wird mit einem räumlichen Flüssigkristall-Lichtmodulator kodiert und das Ergebnis mit einem herkömmlichen CMOS- oder CCD-Bildsensor gemessen. Solche optischen Architekturen können eine überlegene Skalierung der Berechnungskomplexität bieten, da die optische Ausbreitung von Natur aus hochgradig vernetzt ist, und sie wurden zur Lösung von 2D-Wärmgleichungen verwendet[17].

Ising-Maschinen

Physikalische Computer, deren Entwurf vom theoretischen Ising-Modell inspiriert wurde, werden als Ising-Maschinen bezeichnet.[18][19][20]

Yoshihisa Yamamoto hat Pionierarbeit beim Bau von Ising-Maschinen mit Hilfe von Photonen geleistet. Ursprünglich bauten Yamamoto und seine Kollegen eine Ising-Maschine unter Verwendung von Lasern, Spiegeln und anderen optischen Komponenten, die man gewöhnlich auf einem optischen Tisch findet.[18][19]

Später entwickelte ein Team der Hewlett Packard Labs, darunter Dave Kielpinski, Werkzeuge für das Design von photonischen Chips und baute damit eine Ising-Maschine auf einem einzigen Chip, die 1.052 o

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