Een belangrijke klasse van uitdagende rekenproblemen, met toepassingen in de grafentheorie, neurale netwerken, kunstmatige intelligentie en foutcorrigerende codes kunnen worden opgelost door lichtsignalen te vermenigvuldigen, volgens onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en het Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie in Rusland.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , ze stellen een nieuw type berekening voor dat een revolutie teweeg kan brengen in analoog computergebruik door het aantal benodigde lichtsignalen drastisch te verminderen en tegelijkertijd het zoeken naar de beste wiskundige oplossingen te vereenvoudigen, waardoor ultrasnelle optische computers mogelijk zijn.

Optisch of fotonisch computergebruik maakt gebruik van fotonen die worden geproduceerd door lasers of diodes voor berekeningen, in tegenstelling tot klassieke computers die elektronen gebruiken. Aangezien fotonen in wezen geen massa hebben en sneller kunnen reizen dan elektronen, een optische computer zou supersnel zijn, energiezuinig en in staat om informatie gelijktijdig te verwerken via meerdere tijdelijke of ruimtelijke optische kanalen.

Het rekenelement in een optische computer - een alternatief voor de enen en nullen van een digitale computer - wordt weergegeven door de continue fase van het lichtsignaal, en de berekening wordt normaal gesproken bereikt door twee lichtgolven toe te voegen die afkomstig zijn van twee verschillende bronnen en vervolgens het resultaat te projecteren op '0' of '1' toestanden.

Echter, het echte leven vertoont zeer niet-lineaire problemen, waarbij meerdere onbekenden tegelijkertijd de waarden van andere onbekenden veranderen terwijl ze multiplicatief interageren. In dit geval, de traditionele benadering van optisch computergebruik die lichtgolven op een lineaire manier combineert, faalt.

Nutsvoorzieningen, Professor Natalia Berloff van Cambridge's Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics en Ph.D. student Nikita Stroev van het Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie heeft ontdekt dat optische systemen licht kunnen combineren door de golffuncties die de lichtgolven beschrijven te vermenigvuldigen in plaats van ze toe te voegen, en dat ze een ander soort verbindingen tussen de lichtgolven kunnen vertegenwoordigen.

Ze illustreerden dit fenomeen met quasi-deeltjes genaamd polaritonen - die half licht en half materie zijn - terwijl ze het idee uitbreidden naar een grotere klasse van optische systemen zoals lichtpulsen in een vezel. Kleine pulsen of klodders coherente, supersnel bewegende polaritonen kunnen in de ruimte worden gecreëerd en elkaar op een niet-lineaire manier overlappen, vanwege de materiecomponent van polaritonen.

"We ontdekten dat het belangrijkste ingrediënt is hoe je de pulsen met elkaar koppelt, " zei Stroev. "Als je de koppeling en de lichtintensiteit goed hebt, het licht vermenigvuldigt zich, die de fasen van de individuele pulsen beïnvloeden, het antwoord op het probleem weggeven. Dit maakt het mogelijk om met licht niet-lineaire problemen op te lossen."

De vermenigvuldiging van de golffuncties om de fase van het lichtsignaal in elk element van deze optische systemen te bepalen, komt van de niet-lineariteit die van nature voorkomt of van buitenaf in het systeem wordt geïntroduceerd.

"Wat als een verrassing kwam, is dat het niet nodig is om de continue lichtfasen op '0' en '1' toestanden te projecteren die nodig zijn voor het oplossen van problemen in binaire variabelen, "zei Stroev. "In plaats daarvan, het systeem heeft de neiging om deze toestanden tot stand te brengen aan het einde van zijn zoektocht naar de minimale energieconfiguratie. Dit is de eigenschap die ontstaat door het vermenigvuldigen van de lichtsignalen. Integendeel, eerdere optische machines hebben resonante excitatie nodig die de fasen extern op binaire waarden fixeert."

De auteurs hebben ook een manier voorgesteld en geïmplementeerd om de systeemtrajecten naar de oplossing te leiden door de koppelingssterkte van de signalen tijdelijk te veranderen.

"We moeten beginnen met het identificeren van verschillende soorten problemen die direct kunnen worden opgelost door een speciale fysieke processor, "zei Berloff. "Hogere-orde binaire optimalisatieproblemen zijn zo'n klasse, en optische systemen kunnen zeer efficiënt worden gemaakt om ze op te lossen."

Er moeten nog veel uitdagingen worden aangegaan voordat optische computers kunnen aantonen dat ze superieur zijn bij het oplossen van moeilijke problemen in vergelijking met moderne elektronische computers:ruisonderdrukking, foutcorrectie, verbeterde schaalbaarheid, het leiden van het systeem naar de werkelijk beste oplossing zijn daar een van.

"Het veranderen van ons raamwerk om verschillende soorten problemen rechtstreeks aan te pakken, kan optische computermachines dichter bij het oplossen van echte problemen brengen die niet kunnen worden opgelost door klassieke computers, ’ zei Berlof.