Новая архитектура — diffraction casting — может сделать оптические вычисления привлекательными для внедрения в вычислительные устройства следующего поколения.

Современные компьютеры и гаджеты, будь то смартфон или ноутбук, работают на основе электронных технологий. Но у них есть недостатки: они выделяют много тепла, особенно при повышении производительности. Кроме того, технологии их производства почти достигли своего теоретического предела. Исследователи ищут новые способы выполнения вычислений, которые помогут решить эти проблемы и, возможно, откроют новые функции.

Оптические вычисления — одна из таких возможностей. Они используют скорость световых волн и их способность взаимодействовать с оптическими материалами без выделения тепла.

Если добавить, что широкий спектр световых волн может проходить через материалы одновременно, не влияя друг на друга, то теоретически можно создать компьютер, который будет работать с высокой скоростью и эффективно использовать энергию.

В 1980-х годах японские исследователи изучили метод оптических вычислений, который назывался «отбрасывание теней». С его помощью можно было выполнять простые логические операции. Но для этого требовались громоздкие геометрические оптические формы, похожие на вакуумные трубки ранних цифровых компьютеров.

По словам доцента Рёити Хорисаки из Лаборатории информационной фотоники Токийского университета, эти системы работали, но были недостаточно гибкими и простыми, чтобы их можно было использовать в полезных целях.

Мы предлагаем новый метод оптических вычислений — дифракционное отбрасывание. Он улучшает отбрасывание теней, которое основано на взаимодействии световых лучей с различными формами. Дифракционный метод использует свойства световой волны и позволяет создавать более эффективные и гибкие оптические элементы для универсального компьютера.

Наши численные расчёты с небольшими чёрно-белыми изображениями размером 16x16 пикселей дали положительные результаты. Это меньше, чем иконки на экране смартфона.

Хорисаки и его команда предлагают оптическую систему, в которой все шаги обработки данных выполняются с помощью света. Система преобразует только конечный выходной сигнал в электронный и цифровой.

В качестве источника данных система использует изображение. Это позволяет применять её для обработки изображений. Однако другие виды данных, особенно используемые в машинном обучении, также можно представить графически.

Система объединяет исходное изображение с другими изображениями, которые представляют этапы логических операций.

Представьте слои в программе для редактирования изображений, например, в Adobe Photoshop. Исходное изображение — это нижний слой. На него можно наложить другие слои, которые что-то меняют в нижнем слое. Комбинация этих слоёв формирует итоговое изображение. Свет, проходя через все слои, создаёт картинку, которая фиксируется сенсором и преобразуется в цифровые данные для хранения или показа пользователю.

Diffraction casting — это один из элементов гипотетического компьютера, основанного на этом принципе. Его лучше рассматривать как дополнительный компонент, а не полную замену существующих систем.

Подобно тому как графические процессоры используются для графики, игр и машинного обучения, diffraction casting может выполнять 16 базовых логических операций, лежащих в основе обработки информации. Однако для коммерческого использования потребуется около 10 лет, так как необходимо проделать большую работу над физической реализацией.

В перспективе система может быть расширена для квантовых вычислений.

Результаты опубликованы в издании Advanced Photonics.