Технология 40-летней давности сделает смартфоны и компьютеры еще "умнее"

Квантовые вычисления помогают создавать устройства от смартфонов до суперкомпьютеров. Новая технология ученых из Токийского университета позволяет сделать вычисления быстрее. Об этом пишет Interesting Engineering.

Такие методы, как дифракционное литье, могут преодолеть различные проблемы, связанные с оптическими вычислениями, но они все еще находятся на ранней стадии. Например, исследователи предполагают, что само дифракционное литье может занять 10 лет или больше, чтобы стать коммерчески жизнеспособным.

С одной стороны, с развитием квантовых вычислений, искусственного интеллекта, блокчейна и облачных игр спрос на более быстрые и мощные вычислительные технологии растет с каждым годом.

Однако электронные системы, которые питают современные компьютеры, гаджеты и высокотехнологичное научное оборудование, достигают своих теоретических пределов по скорости и эффективности. Эта ситуация указывает на острую необходимость в альтернативах электронным вычислениям.

Одной из таких многообещающих альтернатив является оптическое вычисление. В то время как традиционные электронные системы используют электрические сигналы для выполнения вычислительных задач, оптическая система использует силу света для обработки данных и выполнения сложных вычислений.

Ученые полагают, что оптические вычислительные приложения будут намного лучше, быстрее и энергоэффективнее своих электронных аналогов. Однако в настоящее время множество проблем и технических ограничений мешают нам реализовать эту передовую вычислительную технологию.

Новое исследование предлагает многообещающее решение этих проблем. Авторы исследования создали архитектуру, называемую дифракционным литьем. Они утверждают, что этот метод может приблизить нас к раскрытию полного потенциала оптических вычислений. Чтобы понять основы дифракционного литья, нужно вернуться в 1980-е годы, когда группа японских исследователей предложила теневое литье — метод оптических вычислений, в котором для выполнения простых логических операций использовались большие геометрические оптические шаблоны. Однако для отбрасывания теней требовалась большая установка. Кроме того, требовалось точное выравнивание оптических компонентов и тщательный контроль световых путей, что делало его сложным и трудным для интеграции и использования.

Этот метод был почти забыт до недавнего времени, пока авторы исследования из Токийского университета не решили создать дифракционное отбрасывание. Это — оптический вычислительный метод, вдохновленный отбрасыванием теней. Дифракционное моделирование использует естественное поведение и характеристики света, такие как то, как он преломляется, распространяется и взаимодействует с различными материалами, вместо того, чтобы полагаться на физические формы или структуры для управления светом, как при теневом моделировании.

Это различие позволяет дифракционному литью включать гибкие и компактные оптические элементы — демонстрируя архитектуру дизайна, которая могла бы обеспечить практические оптические вычислительные решения. Авторы исследования также успешно протестировали этот оптический метод для обработки изображений.

Ученые провели численное моделирование, которое дало весьма положительные результаты, используя в качестве входных данных небольшие черно-белые изображения размером 16 на 16 пикселей, меньшие, чем значки на экране смартфона.

Авторы исследования предполагают, что оптические вычисления не должны заменять электронные вычисления, а должны работать как параллельная технология. Это также имеет смысл, поскольку электронные системы служат основой глобальной цифровой инфраструктуры. Они являются неотъемлемой частью практически всех аспектов современных технологий — от смартфонов до суперкомпьютеров. Более того, такие методы, как дифракционное литье, могут преодолеть различные проблемы, связанные с оптическими вычислениями, но они все еще находятся на ранней стадии. Например, исследователи предполагают, что само дифракционное литье может занять 10 лет или больше, чтобы стать коммерчески жизнеспособным.

Важно онимать, что дифракционное литье — это всего лишь один из строительных блоков в гипотетическом компьютере, основанном на этом принципе, и, возможно, лучше рассматривать его как дополнительный компонент, а не как полную замену существующих систем. Тем не менее, этот метод, вероятно, сыграет важную роль в обеспечении возможности оптических вычислений разделить огромную нагрузку электронных систем в таких областях, как машинное обучение, облачные игры и квантовые вычисления.