Neuveriteľný fotonický Isingov počítač šliape ako hodinky. Svetlo v ňom samo hľadá najlepšie riešenie
Vedci z Queen’s University vytvorili fotonický Isingov stroj, ktorý rieši optimalizačné problémy pomocou svetla. Funguje pri izbovej teplote, využíva bežné optické komponenty a ukazuje novú cestu mimo klasických kremíkových čipov.
Na Queen’s University v Kanade vznikol stroj, ktorý nepočíta tak, ako to poznáš z klasického počítača. Tím okolo profesora Bhavina Shastriho postavil fotonický Isingov stroj, ktorý využíva samotnú fyziku svetla. Výsledky zverejnil v časopise Nature. Kľúčový rozdiel nového systému spočíva v tom, že ide o analógový výpočtový stroj, nie digitálny procesor.
Storočný Isingov model v modernej optickej podobe
Základ vychádza zo storočného Isingovho modelu magnetizmu. Ten si môžeš predstaviť ako sústavu „spinov“, teda premenných, ktoré majú len dva stavy, hore alebo dole, áno alebo nie. Matematicky ide o hľadanie konfigurácie s najnižšou energiou. A práve tento najnižší energetický stav zodpovedá najlepšiemu riešeniu optimalizačného problému.
Bežný počítač spracúva úlohu sériou logických operácií. Aj keď používa pokročilé heuristiky a aproximácie, stále ide o algoritmické prepočítavanie možností. Fotonický Isingov stroj funguje inak. Svetelné impulzy v ňom prechádzajú optickou slučkou, navzájom sa ovplyvňujú, zosilňujú alebo rušia. Systém sa fyzikálne „usadí“ do stavu s najnižšou energiou a práve ten predstavuje riešenie.
Nejde teda o výpočet v tradičnom zmysle. Riešenie vznikne ako dôsledok interferencie a spätnej väzby medzi pulzmi svetla.
„Je to spôsob, ako premeniť svetlo na riešiteľa problémov,“ povedal Shastri.
Predstav si bludisko, do ktorého naleješ vodu. Voda neanalyzuje mapu, ale prirodzene si nájde najrýchlejšiu cestu von. Podobne sa správa aj tento systém, fyzika sama „vyberie“ stabilnú konfiguráciu, ktorá reprezentuje dobré riešenie.
Neprehliadni
Optimalizácia namiesto univerzálneho počítania
Takýto prístup sa hodí najmä na optimalizačné problémy. Tie sa objavujú v logistike, kryptografii, urbanizme či vývoji liekov. Keď firma plánuje trasu pre desiatky balíkov, počet možných kombinácií rastie exponenciálne. Pri päťdesiatich zastávkach by kontrola všetkých možností trvala dlhšie než vek vesmíru.
„S piatimi zastávkami existuje len 12 trás. S 50 zastávkami by kontrola všetkých možností trvala dlhšie než vek vesmíru,“ vysvetlil Shastri.
Práve tu analógový prístup dáva zmysel. Systém nehľadá odpoveď hrubou silou, ale fyzikálnou rovnováhou.
Dôležité slovo v projekte znie neuromorfné. Shastri patrí medzi lídrov v oblasti neuromorfnej fotoniky. Jeho tím sa nepokúsil napodobniť klasickú Von Neumannovu architektúru, kde procesor a pamäť existujú oddelene a neustále si medzi sebou posielajú dáta.
Presúvanie dát medzi CPU a pamäťou dnes spotrebuje obrovské množstvo energie. V tomto fotonickom stroji výpočet aj dynamický stav systému prebiehajú v tom istom fyzikálnom priestore, v optickej slučke. Nejde o pamäť v klasickom zmysle RAM, ale o stabilizovaný stav svetelných impulzov, ktorý reprezentuje riešenie. Tým odpadá jedna z energeticky najnáročnejších častí moderného počítania.
Stabilita pri izbovej teplote a bežné komponenty
Zariadenie fungovalo pri izbovej teplote, bez extrémneho chladenia, a zvládalo miliardy operácií za sekundu. Zostalo stabilné celé hodiny, čo pri optických Isingových strojoch nebýva samozrejmosť. Mnohé experimentálne systémy kolabovali už po milisekundách.
Tím postavil prototyp z bežne dostupných komponentov, laserov, optických vlákien a modulátorov, ktoré dnes tvoria chrbticu internetovej infraštruktúry. Využil pritom stabilizačné techniky známe z telekomunikačných sietí, kde sa svetlo používa na spoľahlivý prenos dát na veľké vzdialenosti. Systém dosiahol 256 spinov, čo je v rámci optických Isingových strojov konkurencieschopný výsledok, najmä vzhľadom na jednoduchosť architektúry.
Limity kremíka a alternatívna cesta výpočtovej techniky
Vývoj zapadá do širšieho kontextu. Kremíkové čipy narážajú na fyzikálne limity. Tranzistory sa už nedajú zmenšovať donekonečna bez toho, aby sa nezačali prehrievať alebo aby sa neobjavovali javy ako kvantové tunelovanie. Mooreov zákon, ktorý desaťročia predpovedal pravidelné zdvojnásobovanie výkonu, stráca dych.
Svetlo ponúka inú cestu. Fotóny nenesú elektrický náboj, nevytvárajú odpor ako elektróny v kovových vodičoch a umožňujú paralelné spracovanie viacerými vlnovými dĺžkami v tom istom vlákne. To otvára priestor pre výpočty s nižšími energetickými stratami.
Neznamená to, že klasické procesory zmiznú. Tento typ stroja je špecializovaný nástroj určený najmä na optimalizačné úlohy. Ukazuje však, že post-kremíková éra výpočtovej techniky nemusí stáť len na kvantových počítačoch, ale aj na fyzikálnych analógových systémoch využívajúcich svetlo.
Tím z Queen’s University teraz plánuje zvýšiť počet spinov, zlepšiť energetickú efektivitu a otestovať technológiu v spolupráci s priemyslom. To, či sa z laboratórneho prototypu stane praktický nástroj pre logistické firmy, farmaceutické spoločnosti alebo kryptografov, bude závisieť najmä od toho, ako úspešne sa podarí celý systém škálovať mimo laboratória.
