En viktig klass av utmanande beräkningsproblem, med tillämpningar inom grafteori, neurala nätverk, artificiell intelligens och felkorrigerande koder kan lösas genom att multiplicera ljussignaler, enligt forskare från University of Cambridge och Skolkovo Institute of Science and Technology i Ryssland.

I en artikel publicerad i tidningen Fysiska granskningsbrev , de föreslår en ny typ av beräkning som kan revolutionera analog beräkning genom att dramatiskt minska antalet ljussignaler som behövs och samtidigt förenkla sökandet efter de bästa matematiska lösningarna, möjliggör ultrasnabba optiska datorer.

Optisk eller fotonisk beräkning använder fotoner som produceras av lasrar eller dioder för beräkning, till skillnad från klassiska datorer som använder elektroner. Eftersom fotoner är i huvudsak utan massa och kan färdas snabbare än elektroner, en optisk dator skulle vara supersnabb, energieffektiv och kan bearbeta information samtidigt genom flera tidsmässiga eller rumsliga optiska kanaler.

Beräkningselementet i en optisk dator - ett alternativ till ettorna och nollorna i en digital dator - representeras av ljussignalens kontinuerliga fas, och beräkningen uppnås normalt genom att lägga till två ljusvågor som kommer från två olika källor och sedan projicera resultatet på "0" eller "1" tillstånd.

Dock, verkliga livet presenterar mycket olinjära problem, där flera okända samtidigt ändrar värdena för andra okända samtidigt som de interagerar multiplikativt. I detta fall, den traditionella metoden för optisk beräkning som kombinerar ljusvågor på ett linjärt sätt misslyckas.

Nu, Professor Natalia Berloff från Cambridges institution för tillämpad matematik och teoretisk fysik och Ph.D. Student Nikita Stroev från Skolkovo Institute of Science and Technology har funnit att optiska system kan kombinera ljus genom att multiplicera de vågfunktioner som beskriver ljusvågorna istället för att lägga till dem och kan representera en annan typ av samband mellan ljusvågorna.

De illustrerade detta fenomen med kvasipartiklar som kallas polaritoner - som är halvt ljus och halvt materia - samtidigt som de utvidgade idén till en större klass av optiska system som ljuspulser i en fiber. Små pulser eller klumpar av sammanhängande, supersnabbt rörliga polaritoner kan skapas i rymden och överlappa varandra på ett olinjärt sätt, på grund av materiekomponenten i polaritoner.

"Vi fann att nyckelingrediensen är hur du kopplar pulserna med varandra, " sa Stroev. "Om du får rätt koppling och ljusintensitet, ljuset förökar sig, påverkar faserna av de individuella pulserna, ger bort svaret på problemet. Detta gör det möjligt att använda ljus för att lösa olinjära problem."

Multiplikationen av vågfunktionerna för att bestämma fasen för ljussignalen i varje element i dessa optiska system kommer från den olinjäritet som förekommer naturligt eller som införs externt i systemet.

"Vad som kom som en överraskning är att det inte finns något behov av att projicera de kontinuerliga ljusfaserna på "0" och "1" tillstånd som är nödvändiga för att lösa problem i binära variabler, sade Stroev. Istället, systemet tenderar att åstadkomma dessa tillstånd i slutet av sitt sökande efter den minimala energikonfigurationen. Detta är egenskapen som kommer från att multiplicera ljussignalerna. Tvärtom, tidigare optiska maskiner kräver resonansexcitation som fixerar faserna till binära värden externt."

Författarna har också föreslagit och implementerat ett sätt att styra systembanorna mot lösningen genom att tillfälligt ändra signalernas kopplingsstyrkor.

"Vi borde börja identifiera olika klasser av problem som kan lösas direkt av en dedikerad fysisk processor, ", sa Berloff. "Binära optimeringsproblem av högre ordning är en sådan klass, och optiska system kan göras mycket effektiva för att lösa dem."

Det finns fortfarande många utmaningar att möta innan optisk datoranvändning kan visa sin överlägsenhet när det gäller att lösa svåra problem i jämförelse med moderna elektroniska datorer:brusreducering, felkorrigering, förbättrad skalbarhet, att vägleda systemet till den verkligt bästa lösningen är bland dem.

"Att ändra vårt ramverk för att direkt hantera olika typer av problem kan föra optiska datormaskiner närmare att lösa verkliga problem som inte kan lösas av klassiska datorer, sa Berloff.