Световые компьютеры, используемые для поиска решений для сложных уравнений логистики
В качестве альтернативных методов для обычных вычислений многие десятилетия мечтали о компьютерах на основе света. Исследователи из Стэнфорда разработали компьютер, который может решать конкретные проблемы с использованием магнитных полей и лазеров.
Специализированный и общий
Современные обычные компьютеры используют электрический ток, управляемый миллиардами транзисторов, встроенных в кремниевые пластины.
Одним из основных факторов, почему современные компьютеры пользуются такой популярностью, является их «родовость». Другими словами, современные компьютеры не предназначены для какой-либо конкретной проблемы и, следовательно, ограничиваются только их программированием. Это означает, что микрочип, который активирует цикл вашей стиральной машины, также может быть запрограммирован на запуск операционной системы, игру в игру или даже управление вашим автоматическим подающим устройством IoT. Но это не лишено недостатков, поскольку компьютеры, управляемые системами, могут быть не такими эффективными, как они могут быть для каждой ситуации, в которой они используются.
Один из распространенных примеров - две основные архитектуры процессора, которые существуют, фон Нейман и Гарвард. Архитектура фон Неймана опирается на большие модели памяти с программным кодом, а переменные хранятся в одном и том же адресе линейной памяти. Такой тип памяти очень полезен в моделях программирования, которые полагаются на большие требования к памяти (такие как игры и программное обеспечение для моделирования) или возможность запуска кода, который может быть динамически размещен в памяти (например, при запуске приложения, загружаемого ОС эту программу в оперативную память и затем выполняет).
Архитектура Гарварда имеет свои переменные и программный код, разделенные на разные адреса памяти, так что переменная и исполняемая команда могут иметь один и тот же адрес памяти, но сохраняться в отдельных ячейках памяти. Этот тип конфигурации идеально подходит для использования во встроенных системах, где код программы редко нуждается в изменении, и требуется несколько переменных.
Даже тогда эти две архитектуры по-прежнему предоставляют общие среды разработки, которые все еще не могут быть полностью оптимизированы для их задачи. Вот почему существуют устройства, предназначенные для конкретной обработки сигналов (такие как устройства ASIC и FPGA). Эта специализация, хотя и более дорогостоящая, может выполнять определенную задачу намного быстрее, чем общие устройства. Это направление, которое могут принимать компьютеры на основе света.
Проблема с продавцом
Подобно квантовым компьютерам, есть заблуждение, что все компьютеры будут заменены квантовыми и световыми устройствами в будущем. В действительности, эти устройства могут быть в устройствах в качестве сопроцессора, но они будут использоваться для выполнения очень конкретных операций, таких как шифрование или поиск пути. Это именно то, что делает компьютер на основе света, разработанный исследовательской группой в Стэнфордском университете.
Прежде чем мы рассмотрим, как исследователи разработали устройство, нам нужно посмотреть на проблему, которую фактически решает компьютер.
В информатике существует проблема, известная как «Проблема с продавцом». Представьте, что вы продавец, и вам нужно посетить все города в регионе, чтобы максимизировать прибыль. Неважно, какой заказ вы посещаете в каждом городе, но есть два аспекта путешествия, которые вам нужно выполнить:
- Вы должны закончить, с чего вы начали
- Каждый город можно посещать только один раз
- Вы должны заплатить за поездки своими деньгами, поэтому ваше расстояние поездки должно быть сведено к минимуму
Проблема с продавцом, показывающая узлы и пути. Изображение предоставлено Nojhan (собственная работа) (CC BY-SA 2.5-2.0-1.0)
Проще говоря, решение будет маршрутом, где стоимость сводится к минимуму, чтобы посещать каждый город, а заканчивая тем, с чего вы начали. Эта проблема может быть найдена во многих реальных контекстах, включая компании по доставке, уменьшая интерференцию Wi-Fi и даже сворачивание белков.
Обычные вычислительные машины могут решать до 85 950 городов, но есть проблема с размерами, большими, чем это. Число всех возможных путей для n узлов (городов) равно (n - 1) факториалу, который мал для нескольких узлов. Однако, когда n становится намного больше, количество возможностей становится настолько большим, что для достижения наиболее эффективного решения потребуется весь возраст Вселенной.
Очевидно, что общее вычислительное устройство не может справиться с такой проблемой.
Светоизлучающие вычисления
Исследователи из Стэнфордского университета создали световой компьютер, который использует импульсы для решения проблемы коммивояжера. Компьютер, который был спроектирован, называется Изинг-машиной, которая по существу действует как перепрограммируемая магнитная сеть.
Каждый «искусственный магнит» в сети представляет собой узел в проблеме коммивояжера и может иметь одну из двух ориентаций магнетизма: высокоэнергетическое или низкоэнергетическое направление. Поскольку система в целом стремится к наименьшему энергетическому состоянию, задача решается, и состояние магнитных узлов указывает на решение.
Исследователи, Питер МакМэхон и Алиреза Маранди. Изображение предоставлено LA Cicero через Стэнфордский университет
В световом устройстве лазер называется вырожденным оптическим параметрическим осциллятором, который использует импульсы света для представления узлов в задаче. Лазер также имеет спин, который представляет магнитное состояние каждого узла. Первоначальная проблема с системой заключалась в объединении импульсов вместе (чтобы проблема могла быть решена), которая была достигнута с использованием дорогостоящего метода контролируемой оптической задержки.
Но новая система использует цифровую схему для эмуляции оптических соединений между импульсами, которые используются для программирования проблемы. Лазерная система в сочетании с цифровой схемой все еще может решить проблемы и была использована для решения задач с 100 переменными с любым произвольным набором связей между переменными.
Одним из основных преимуществ существующего дизайна является то, что почти все части компьютера являются готовыми компонентами. Это важно для коммерческого интереса. Одним из фактов, которые нельзя оспаривать, является историческая взаимосвязь между инновациями и коммерческим стремлением, где изобретения и открытия, которые могут быть превращены в продукты, как правило, намного быстрее финансируются и развиваются.
Будущее света "// www.allaboutcircuits.com/news/quantum-bridge-new-quantum-emitters-could-revolutionize-quantum-computing/" target = "_ blank"> захват атомов кремния в алмазе для хранения квантовой информации
Волоконно-оптические кабели быстро заменяют металлические кабели в телекоммуникациях. Изображение предоставлено blizzy78 (CC BY-SA 2.0)
Учитывая эффективность систем на основе света и возможности их пропускной способности, неудивительно, что ученые все больше заинтересованы в использовании этой фундаментальной частицы, чтобы пролить свет на будущие технологии.