پیشرفت بی‌سابقه در پراکنش شکست نور می‌تواند چالش‌های رایانش نوری را حل کند
از یک طرف، با افزایش محبوبیت رایانش کوانتومی، هوش مصنوعی، بلاکچین و بازی‌های ابری، نیاز به فناوری‌های رایانشی سریع‌تر و قدرتمندتر هر سال افزایش می‌یابد.
از سوی دیگر، سیستم‌های الکترونیکی که امروزه کامپیوترها، وسایل و تجهیزات علمی پیشرفته را تامین انرژی می‌کنند، به محدودیت‌های نظری خود در سرعت و کارایی رسیده‌اند. این وضعیت نشان‌دهنده نیاز قوی به جایگزین‌هایی برای رایانش الکترونیکی است.
یکی از این جایگزین‌های امیدوارکننده، رایانش نوری است. در حالی که سیستم‌های الکترونیکی سنتی از سیگنال‌های الکتریکی (الکترون‌ها) برای انجام کارهای رایانشی استفاده می‌کنند، یک سیستم نوری از قدرت نور (فوتون‌ها) برای پردازش داده‌ها و انجام محاسبات پیچیده استفاده می‌کند.
دانشمندان معتقدند که کاربردهای رایانش نوری بسیار بهتر، سریع‌تر و کارآمدتر از همتایان الکترونیکی‌شان خواهند بود. با این حال، در حال حاضر چالش‌ها و محدودیت‌های فنی بسیاری ما را از دستیابی به این فناوری رایانش پیشرفته باز می‌دارند.
یک مطالعه جدید یک راه‌حل امیدوارکننده برای این چالش‌ها پیشنهاد می‌دهد. نویسندگان این مطالعه، معماری طراحی به نام پراکنش شکست نور ایجاد کرده‌اند. آن‌ها ادعا می‌کنند که این روش می‌تواند ما را به باز کردن پتانسیل کامل رایانش نوری نزدیک‌تر کند.
پراکنش شکست نور از چیزی از دهه ۸۰ الهام گرفته است
برای درک اصول پایه‌ای پراکنش شکست نور، باید به دهه ۱۹۸۰ برگردیم، زمانی که گروهی از محققین ژاپنی روش محاسباتی نوری به نام سایه‌زنی را پیشنهاد دادند که از الگوهای هندسی نوری بزرگ برای انجام عملیات منطقی ساده استفاده می‌کرد.
با این حال، سایه‌زنی به راه‌اندازی بزرگی نیاز داشت و همچنین نیاز به تنظیم دقیق اجزای نوری و کنترل دقیق مسیرهای نور داشت که استفاده و یکپارچه‌سازی آن را پیچیده و چالش‌برانگیز می‌کرد. این روش تا اخیراً تقریباً فراموش شده بود، زمانی که نویسندگان مطالعه در دانشگاه توکیو (UTokyo) تصمیم گرفتند پراکنش شکست نور را ایجاد کنند، روشی در رایانش نوری که از سایه‌زنی الهام گرفته است.
“ما یک طرح محاسباتی نوری به نام پراکنش شکست نور معرفی می‌کنیم که بر پایه سایه‌زنی بهبود یافته است. در حالی که سایه‌زنی بر پایه برخورد پرتوهای نور با هندسه‌های مختلف است، پراکنش شکست نور بر پایه ویژگی‌های خود موج نور است”، ریوایچی هوریساکی، یکی از نویسندگان مطالعه و استادیار در UTokyo، گفت.
این بدین معناست که پراکنش شکست نور از رفتار و ویژگی‌های طبیعی نور، مثل آنکه چگونه خم می‌شود، پخش می‌شود و با مواد مختلف تعامل دارد، استفاده می‌کند، به جای اینکه به شکل‌های فیزیکی یا ساختارها برای دستکاری نور متکی باشد، همان‌طور که در سایه‌زنی است.
این تفاوت به پراکنش شکست نور امکان می‌دهد تا اجزای نوری انعطاف‌پذیر و فشرده را در بر گرفته و معماری طراحی را که می‌تواند راه‌حل‌های رایانش نوری عملی را تامین کند، نمایش دهد. نویسندگان مطالعه همچنین موفق به آزمون این روش نوری برای پردازش تصویر شده‌اند.
“ما شبیه‌سازی‌های عددی اجرا کردیم که نتایج بسیار مثبتی به‌همراه داشت، با استفاده از تصاویر سیاه و سفید کوچک با رزولوشن ۱۶ در ۱۶ پیکسل به عنوان ورودی‌ها که از آیکون‌های صفحه‌نمایش گوشی هوشمند کوچک‌تر هستند”، هورایساکی گفت.
رایانش نوری جایگزین نیست
نویسندگان مطالعه پیشنهاد می‌دهند که رایانش نوری به جای جایگزینی با رایانش الکترونیکی، به‌عنوان فناوری مکمل عمل خواهد کرد. این نیز منطقی است که سیستم‌های الکترونیکی به‌عنوان پایه‌های زیرساخت دیجیتال جهانی خدمت می‌کنند.
آن‌ها به تقریباً هر جنبه‌ای از تکنولوژی مدرن مرتبط می‌شوند — از گوشی‌های هوشمند تا ابررایانه‌ها.
علاوه بر این، روش‌هایی مانند پراکنش شکست نور می‌توانند چالش‌های مختلف مرتبط با رایانش نوری را برطرف کنند، اما هنوز در مرحله اولیه هستند. به عنوان مثال، محققان پیشنهاد می‌دهند که ممکن است بیش از ۱۰ سال زمان ببرد تا پراکنش شکست نور به‌صورت تجاری قابل استفاده شود.
“پراکنش شکست نور تنها یک بلوک سازنده در یک رایانه فرضی بر اساس این اصل است و بهتر است به آن به‌عنوان یک جز اضافی نگاه کنیم تا جایگزین کامل سیستم‌های موجود”، ریوسوکه مشیکو، نویسنده ارشد مطالعه و محقق در UTokyo گفت.
با این حال، این روش احتمالاً نقش مهمی در امکان‌پذیری رایانش نوری برای به اشتراک گذاشتن بار کاری سنگین سیستم‌های الکترونیکی در زمینه‌هایی مانند یادگیری ماشینی، بازی‌های ابری و رایانش کوانتومی بازی خواهد کرد.
مطالعه در مجله فتونیک پیشرفته منتشر شده است.
