Nowy procesor fotoniczny skutecznie rozwiązuje złożone problemy NP-zupełne przy użyciu światła, oferując szybsze obliczenia i skalowalność na potrzeby przyszłych zastosowań w optycznych sieciach neuronowych i obliczenia kwantowe.
W miarę ciągłego rozwoju technologii ograniczenia tradycyjnych komputerów elektronicznych stają się coraz bardziej oczywiste, szczególnie w przypadku rozwiązywania bardzo złożonych problemów obliczeniowych. Problemy NP-zupełne, których trudność rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem ich rozmiaru, należą do największych wyzwań w informatyce. Kwestie te dotyczą szerokiego zakresu dziedzin, od biomedycyny po transport i produkcję. Aby znaleźć bardziej wydajne rozwiązania, badacze zwracają się ku alternatywnym metodom obliczeniowym, przy czym obliczenia optyczne są bardzo obiecujące.
Przełom w rozwoju procesorów fotonicznych
Jak donosi zespół z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju Zaawansowana fotonikapoczyniła znaczne postępy w tej dziedzinie. Opracowali rekonfigurowalny, trójwymiarowy zintegrowany procesor fotoniczny, zaprojektowany specjalnie do rozwiązywania problemu sumy podzbiorów (SSP), dobrze znanego wyzwania NP-zupełnego. Korzystając z zaawansowanej techniki zwanej bezpośrednim zapisem laserem femtosekundowym, naukowcy stworzyli chip fotoniczny składający się z 1449 standardowych elementów optycznych. Technologia ta umożliwia szybkie prototypowanie i większą elastyczność projektowania, co jest niezbędne do uporania się ze złożonością SSP.
Zalety podejścia fotonicznego
Problem sumy podzbiorów polega na ustaleniu, czy określony podzbiór liczb może sumować się do danego celu. Mapując ten problem na procesorze fotonicznym, badacze mogą zakodować zachowanie światła w celu wykonania obliczeń. Procesor działa w ten sposób, że fotony zawarte w wiązce światła mogą eksplorować wszystkie możliwe ścieżki jednocześnie, udzielając odpowiedzi równolegle. Taka konstrukcja nie tylko przyspiesza obliczenia, ale także utrzymuje wysoką dokładność, czego dowodem jest zdolność procesora do rozwiązywania różnych instancji SSP ze 100% niezawodnością.
Poszerzanie horyzontów dzięki informatyce optycznej
Potencjalne zastosowania tej technologii wykraczają poza problem sumy podzbiorów. Rekonfigurowalny charakter procesora można dostosować do takich zadań, jak optyczne sieci neuronowe i fotoniczne obliczenia kwantowe, co wskazuje na wszechstronną przyszłość systemów fotonicznych. Co godne uwagi, ten nowy procesor wykazał lepszą wydajność w porównaniu z istniejącymi odpowiednikami elektronicznymi, szczególnie pod względem czasu przetwarzania i wydajności w miarę wzrostu rozmiaru problemu.
Rozwój ten stanowi znaczący krok w kierunku wykorzystania możliwości światła w praktycznych zastosowaniach obliczeniowych, zapewniając drogę do rozwiązywania problemów wymagających obliczeń na większą skalę. W miarę jak badacze kontynuują badania nad obliczeniami optycznymi, ten przełom może zmienić sposób, w jaki podchodzimy do złożonych wyzwań w różnych dziedzinach nauki i przemysłu.
Odniesienie: „Rekonfigurowalny zintegrowany procesor fotoniczny dla problemów NP-zupełnych”, autorzy: Xiao-Yun Xu, Tian-Yu Zhang, Zi-Wei Wang, Chu-Han Wang i Xian-Min Jin, 24 września 2024 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.6.5.056011
