Фотонный компьютер – это будущее

Само словосочетание – фотонный компьютер – вызывает некоторое недоразумение. А чем существующие сейчас не устраивают? Но время не спрашивает, оно требует новизны и прогресса. Так вот: фотонный – значит, световой, или основанный на свете. Свет должен заменить привычное электричество и сделать революцию в вычислениях.

Технологии счета

Может ли сегодня кто-нибудь вспомнить, что такое деревянные счеты с косточками на металлических дугах, или – механический «Феликс» с ручкой, который производил примитивные арифметические расчеты? А ведь эти предметы наполняли нашу жизнь совсем недавно – ну, может, 50-60 лет назад. Потом появились огромные электрические калькуляторы на радиолампах, их сменили транзисторные поменьше, затем еще меньше – до размера наручных часов. А когда все это вместе взятое уже не справлялось с растущими потребностями человечества в расчетах, на арену вышли первые персональные компьютеры. Они были еще очень примитивны, но и это явилось гигантским шагом вперед – в новый нарождавшийся цифровой мир. Теперь вся наша жизнь выстроена по правилам огромной компьютерной сети, а нам все не хватает и не хватает…

Арифмометр “Феликс М”. wikimedia. org_(CC0 1.0)

В 1965 году основатель компании Intel Гордон Мур предсказал, что в дальнейшем каждые два года количество транзисторов на кристалле процессора будет удваиваться при сохранении или даже уменьшении его размеров. Это предсказание стало называться законом Мура. И вот сейчас оно практически исчерпало себя. Развитие существующих компьютерных архитектур подошло к своему потолку – дальнейшее их совершенствование на старых принципах становится невозможным. И наука вновь ищет выход. Теперь – это фотонные компьютеры. Пока что они находятся в зачаточном состоянии, но уже сейчас становится ясно, что им предстоит вывести человечество на новый уровень развития. Во всех смыслах слова – от скачка технологий до сдвигов в общественном сознании.

Фотонный компьютер. Его устройство

В фотонном компьютере используются лучи, испускаемые миниатюрными источниками света, составляющими его конструкцию. Поскольку скорость электрического тока не превышает одной десятой от скорости света, это существенно тормозит скорость вычислений, производимых традиционными компьютерами. Но взять и перейти к производству фотонных компьютеров не так-то просто. Например, сложность создания фотонного процессора – сердца любого компьютера – состоит в том, что в нем вместо электронных транзисторов, которых в схеме обычного процессора могут быть миллиарды, потребуется использовать оптические. Физические принципы работы этих устройств абсолютно разные. Если обычные транзисторы управляются электрическим зарядом электронов, то фотоны света заряда не имеют и управление ими основано на других законах физики. Разработки чисто фотонных процессоров на основе фотонных транзисторов ведутся, и это вопрос ближайшего будущего.

Паутина лазерных лучей. Коллаж: 3dnews.ru

Тем временем прорабатывается компромисс: электроны будут действовать там, где накапливается, анализируется и обрабатывается информация, а для ее передачи между различными областями микросхемы будут использоваться фотоны, бегущие по стекловолокну. Преимуществом такого тандема является свойство световых волн не смешиваться между собой на разных длинах, в отличие от металлических проводников, которые необходимо изолировать друг от друга во избежание замыканий и взаимных помех. То есть, одна нить стекловолокна может заменить собой любое количество металлических соединений, присутствующих в схеме. При этом в 10 раз увеличится внутренняя пропускная способность всего устройства и, соответственно, его вычислительная мощность, а также многократно снизятся энергопотери, приходящиеся в основном на внутреннее электрическое сопротивление металлических проводников и их нагрев.

Проблемы роста

Принцип работы фотонного компьютера аналогичен принципу работы обычного, за исключением некоторых элементов, которые выполняют функциональные операции в оптическом режиме. В них фотоны вначале генерируются светодиодами, лазерами и другими устройствами и затем используются для кодирования данных в системе вычислений. В настоящее время наука пытается создать эффективный гибрид из электронной и фотонной составляющих компьютера. Однако, это пока лишь экспериментальные промежуточные варианты.

Фотонный процессор. CC0 Creative Commons

В будущем будет востребован полностью фотонный компьютер по причине его многочисленных преимуществ в скорости, эффективности, экономичности и т.д. Чтобы его создать, необходимо разработать, как минимум, два полностью фотонных компонента компьютера, а именно: а) процессор на основе оптических транзисторов и б) устройства фотонной памяти. Только после этого можно будет утверждать, что фотонный компьютер существует.

Полностью фотонный процессор

Для создания полностью фотонного процессора вначале необходимо создать фотонный транзистор. По функционалу он аналогичен обычному электронному транзистору. Это устройство условно можно назвать пропускным краном: если он открыт, луч света свободно проходит через него в нужном направлении; если же закрыт – он останавливается.

Разработка оптических транзисторов в настоящее время активно ведется во многих научных центрах мира. Одной из самых сложных задач является создание управляющего поляризационного экрана, то есть, условно – пропускного вентиля в таком транзисторе. Вращающийся на девяносто градусов поляризационный экран должен уметь эффективно либо блокировать световой луч, либо пропускать его, в зависимости от команд системы. 

Фотонный транзистор. Источник: metallshare.narod.ru

Оптические транзисторы сделаны из диэлектрических материалов, и сами по себе могут действовать как поляризаторы. Поляризационный экран довольно сложен в конструктивном воплощении, но у ученых есть уверенность, что трудности преодолимы. Он должен состоять из одного управляющего луча и нескольких вспомогательных, которые на выходе будут выдавать некий логический сигнал. Если удастся создать фотонный транзистор, все остальные оптические компоненты процессора не заставят себя долго ждать.

Фотонная память

Создание полностью оптической структуры памяти является для фотонных компьютеров одной из ключевых задач. Уже достаточно давно известны и используются технологии записи цифровой информации с помощью света, например:

• Дисководы CD-ROM
• Дисководы DVD
• Дисководы Blue-Ray
• Оптические кристаллы памяти
• Голограмма 3D объектов

Все они по-своему хороши, тем не менее, для фотонных компьютеров будущего требуется нечто более совершенное. И научная мысль не стоит на месте.

Память на оптических носителях. Изображение moritz320_Pixabay

Так, в 2019 году исследователи Технологического университета в Эйндховене (Нидерланды) разработали технологию, которая с помощью ультракоротких световых импульсов лазера позволяет быстрым и высокоэффективным способом записывать данные непосредственно в магнитную память жестких дисков, как если бы это были CD или DVD диски. То есть, то, что традиционно в жестких дисках происходит под воздействием переменного магнитного поля, теперь можно сделать лазерным лучом.

Технически вопрос выглядит так: данные хранятся на жестких дисках в виде первичных частиц информации, битов, имеющих значения магнитного заряда +/-, или, на языке программирования, единица/ноль. Запись данных достигается изменением направления заряда бита. Обычно это происходит под влиянием внешнего магнитного поля, которое заставляет полюса менять свои значения. Теперь смену полюсов бита можно осуществить вспышкой невероятно короткого (фемтосекундного) лазерного импульса. Подобная смена значений заряда битов уже полностью соответствует смыслу оптического сохранения данных. Этот процесс гораздо более эффективен и быстр в сравнении с традиционными технологиями.

Представленная технология стала доступной в среде синтетических ферримагнетиков, материалов с особенными свойствами, позволяющими менять направление магнитного поля под воздействием луча света. Смена направления магнитного заряда с помощью одноимпульсного оптического переключения осуществляется в течение пикосекунд, что примерно в 100–1000 раз быстрее, чем в действующих технологиях. Пока это лабораторный эксперимент, и до внедрения в жизнь потребуется время.

Российский фотонный компьютер

Проект уникального оптического компьютера разработан в 2018 году в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ).

Пользователь такого компьютера при работе даже не заметит разницы между ним и старыми системами за исключением его феноменальной скорости. Конструктивно фотонный компьютер состоит из комбинации электронных и оптических блоков. Сложный программный код в электронном блоке переводится в поток простых инструкций, которые преобразуются в лазерные импульсы. Эти импульсы направляются на вход фотонного процессора.

Цифровой поток фотонов. Источник: GamOl (pixabay.com)

Уже внутри фотонного процессора лазерные лучи встречаются, воздействуют друг на друга и на основе математической логики выполняют различные операции допущения: отрицание (НЕ) и логические И и ИЛИ. Одним из ключевых элементов любого процессора являются логические вентили, или просто транзисторы. В фотонном процессоре – они оптические в отличие от электронных в обычном. Лазерный луч на пороге оптического вентиля соответствует одному биту информации. Пришедшие в вентиль по различным каналам лучи продолжают работать между собой, вступая в так называемую интерференцию, которая изменяет силу светового потока в результате наложения нескольких световых волн. Если итог интерференции положительный, то на выходе из вентиля образуется световой импульс с логической нагрузкой «единица»; если он отрицательный, в таком случае световые волны нейтрализуют друг друга, образуя темноту, т.е. «ноль».

По окончании процесса вновь образованные лучи в некой логической комбинации, соответствующей решаемой задаче, направляются по оптоволокну в электронный модуль компьютера, где фотонная информация преобразуется в электронную и в уже привычном виде передается пользователю, например, на монитор или принтер.

При мощности процессора на пике всего 100 ватт, фотонный компьютер будет в 10 тысяч раз производительнее любого современного компьютера такой же мощности. Кроме того, фотонные линии передачи данных между модулями позволят обрабатывать информацию, что называется, «по пути», делая ненужной традиционную оперативную память.

Однако, поскольку это пока лишь проект будущего суперкомпьютера, то дело осталось за малым – создать действующий прототип. Но, как говорится, чем черт не шутит…

Китайский фотонный феномен

В 2020 году физики из Китайского университета науки и технологий (USTC) в Шанхае на своем экспериментальном фотонном компьютере под названием Jiuzhang достигли уникального результата в расчетах, называемых отбором проб гауссовых бозонов. Проблема состоит в том, что сложность задачи в процессе решения экспоненциально растет, и она считается практически неразрешимой с использованием классического компьютера.

Jiuzhang представляет собой сложную настольную установку, состоящую из комбинации лазеров, зеркал, призм и детекторов фотонов. Компьютер был специально создан для решения именно этой задачи, и не может быть перепрограммирован под что-либо другое. В этом смысле Jiuzhang является узкоспециализированным экспериментальным устройством. На данном этапе он призван всего лишь продемонстрировать потенциал квантовых фотонных вычислений. Первым таким достижением в 2019 году отметилась компания Google, когда заявила, что добилась сходного результата с помощью разработанного ею 53-кубитного процессора Sycamore.

Фотонный компьютер Jiuzhang. Источник: globaltimes.cn

Ученые уверены, что на классическом компьютере невозможно в таком объеме и с такой скоростью смоделировать выборку бозона. Например, японскому суперкомпьютеру Fugaku, самому мощному на сегодняшний день классическому компьютеру в мире, понадобилось бы 600 миллионов лет, чтобы выполнить то, что Jiuzhang может сделать всего за 200 секунд. Четвертому самому мощному суперкомпьютеру в мире, китайскому Sunway TaihuLight, потребовалось бы для этого 2,5 миллиарда лет.

Китай возлагает большие надежды на разработку фотонного компьютера, поскольку пока существенно отстает от достижений мировых лидеров в производстве классических процессоров. Он уверен, что в этой сфере способен занять ведущее место в мире. С учетом того, что западные страны всячески препятствуют развитию китайской электронной индустрии и блокируют доступ к передовым технологиям, Китай хочет сам стать создателем этих технологий.

Будущее оптических вычислений

Разработка квантовых и фотонных компьютеров идет семимильными шагами. Исследователи надеются, что этот процесс может привести к разработке эксафлопсных компьютеров, то есть устройств, которые в 1000 раз быстрее самых быстрых современных вычислительных систем.

Голограмма. Изображение: ramazan balayev_Pixabay

Предполагается, что в ближайшем будущем появятся компьютеры без привычных плоских экранов. Информация на них будет выдаваться ​​через голограмму, зависшую в пространстве над клавиатурой. Это уже больше похоже на некую сюрреальность, когда объект из компьютера обладает всеми признаками настоящего предмета, кроме физической массы.

Такие системы позволят кратно ускорить развитие нейронных сетей и искусственного интеллекта, приближенного по своим функциям к работе человеческого мозга. Осталось лишь немного подождать.