„Optischer Computer“ – Versionsunterschied

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'''Optische Computer''' sind [[Computer]] oder [[Rechenwerk]]e, die vollständig oder teilweise mit optischen Elementen anstatt elektronischer Komponenten [[Datenverarbeitung|Daten verarbeiten]]. Hierbei kommen [[Optoelektronik|optoelektronische Elemente]] oder passive optische nicht-lineare Elemente zum Einsatz.
{{short description|Computer that uses photons or light waves}}


== Einleitung ==
'''Optical computing''' or '''photonic computing''' uses [[light wave]]s produced by [[laser]]s or incoherent sources for [[data processing]], data storage or data communication for [[computing]]. For decades, [[photon]]s have shown promise to enable a higher [[Bandwidth (signal processing)|bandwidth]] than the [[electron]]s used in conventional computers (see [[optical fiber]]s).
Ein optischer beziehungsweise photonischer Computer ist ein Gerät, das [[Photon]]en im sichtbaren [[Licht]] oder [[Infrarotstrahlung]] anstelle elektrischer Impulse nutzt.<ref name="techtarget_2019-04" /> Die von [[Laser]]n oder [[Leuchtdiode]]n emittierten Photonen werden zur Datenverarbeitung genutzt. Photonen haben eine höhere [[Bandbreite]] und eine zehnmal höhere Geschwindigkeit als die in herkömmlichen Computern verwendeten Elektronen (siehe [[Lichtwellenleiter]]).


Die meisten Forschungsprojekte konzentrieren sich darauf, die stromführende digitale Computerkomponenten durch optische Äquivalente zu ersetzen, was zu einem optischen digitalen Computersystem führt, das binäre Daten verarbeitet. Dieser Ansatz bietet hat den Vorteil, dass optische Komponenten in herkömmliche Computer integriert werden können, um ein optisch-elektronisches Hybridsystem zu schaffen. [[Optoelektronik|Optoelektronische Komponenten]] verlieren jedoch 30 % ihrer Energie für die Umwandlung von elektrischer Energie in Photonen und zurück; diese Umwandlung verlangsamt auch die Übertragung von Nachrichten. Bei rein optischen Computern entfällt die Notwendigkeit der optisch-elektrisch-optischen (OEO) Umwandlung, was den Stromverbrauch senkt.<ref name="Nolte_2001" />
Most research projects focus on replacing current computer components with optical equivalents, resulting in an optical [[digital computer]] system processing [[binary data]]. This approach appears to offer the best short-term prospects for commercial optical computing, since optical components could be integrated into traditional computers to produce an optical-electronic hybrid. However, [[optoelectronic]] devices consume 30% of their energy converting electronic energy into photons and back; this conversion also slows the transmission of messages. All-optical computers eliminate the need for optical-electrical-optical (OEO) conversions, thus reducing electrical [[power consumption]].<ref>{{cite book |first=D.D. |last=Nolte |title=Mind at Light Speed: A New Kind of Intelligence |url=https://books.google.com/books?id=Q9lB-REWP5EC&pg=PA34 |date=2001 |publisher=Simon and Schuster |isbn=978-0-7432-0501-6 |page=34}}</ref>


Anwendungsspezifische Geräte wie das [[Synthetic Aperture Radar]] (SAR) und optische [[Korrelator]]en wurden entwickelt, um die Prinzipien der optischen Datenverarbeitung zu nutzen. Korrelatoren können beispielsweise zur Erkennung und Verfolgung von Objekten<ref name="Feitelson_1988" /> und zur Klassifizierung serieller optischer Daten in Abhängigkeit von der Zeit eingesetzt werden.<ref name="Optics Letters_2011" />
Application-specific devices, such as [[synthetic-aperture radar]] (SAR) and [[optical correlator]]s, have been designed to use the principles of optical computing. Correlators can be used, for example, to detect and track objects,<ref>{{cite book |title=Optical Computing: A Survey for Computer Scientists |chapter=Chapter 3: Optical Image and Signal Processing |last=Feitelson |first=Dror G. |date=1988 |publisher=MIT Press |location=Cambridge, Massachusetts |isbn=978-0-262-06112-4 }}</ref> and to classify serial time-domain optical data.<ref>{{cite journal |last1=Kim |first1=S. K. |last2=Goda |first2=K.|last3=Fard |first3=A. M. |last4=Jalali |first4=B.|title= Optical time-domain analog pattern correlator for high-speed real-time image recognition |journal=Optics Letters |volume=36 |issue=2 |pages=220–2 |date=2011 |doi= 10.1364/ol.36.000220|pmid=21263506 |bibcode=2011OptL...36..220K |s2cid=15492810 |url=https://semanticscholar.org/paper/a32f6fd548f77c47c869d39a84c6a0015c48a562 }}</ref>


== Optische Komponenten für binäre Digitalrechner ==
==Optical components for binary digital computer==
The fundamental building block of modern electronic computers is the [[transistor]]. To replace electronic components with optical ones, an equivalent [[optical transistor]] is required. This is achieved using materials with a [[Refractive index#Nonlinearity|non-linear refractive index]]. In particular, materials exist<ref>{{Cite web | url=https://www.rp-photonics.com/nonlinear_index.html | title=Encyclopedia of Laser Physics and Technology - nonlinear index, Kerr effect}}</ref> where the intensity of incoming light affects the intensity of the light transmitted through the material in a similar manner to the current response of a bipolar transistor. Such an optical transistor<ref>{{cite journal |last1=Jain |first1=K. | last2=Pratt | first2=G. W. Jr. |title=Optical transistor |journal=Appl. Phys. Lett. |volume=28 |issue=12 |pages=719 |date=1976 |doi=10.1063/1.88627 |bibcode=1976ApPhL..28..719J }}</ref><ref name=jainprattpatent>{{cite patent
| country = US
| number = 4382660
| title = Optical transistors and logic circuits embodying the same
| pubdate = May 10, 1983
| fdate = Jun 16, 1976
| pridate = Jun 16, 1976
| invent1 = K. Jain
| invent2 = G.W. Pratt, Jr.
}}</ref> can be used to create optical [[logic gate]]s,<ref name=jainprattpatent /> which in turn are assembled into the higher level components of the computer's [[central processing unit]] (CPU). These will be nonlinear optical crystals used to manipulate light beams into controlling other light beams.


Der grundlegende Baustein moderner elektronischer Computer ist der [[Transistor]]. Um elektronische Bauteile durch optische zu ersetzen, ist ein entsprechender optischer Transistor erforderlich. Dies wird durch die Verwendung von Materialien mit einem nichtlinearen [[Brechungsindex]] erreicht. Insbesondere gibt es Materialien,<ref name="rp-photonics" /> bei denen die Intensität des einfallenden Lichts die Intensität des durch das Material durchgelassenen Lichts in ähnlicher Weise beeinflusst wie das Stromverhalten eines bipolaren Transistors. Ein solcher optischer Transistor<ref name="ApplPhysLetter_1976" /><ref name="jainprattpatent" /> kann zur Herstellung optischer [[Logikgatter]] verwendet werden,<ref name="jainprattpatent" /> die wiederum zu den übergeordneten Komponenten des [[Prozessor]]s (CPU) eines Computers zusammengesetzt werden. Dabei handelt es sich um [[Nichtlineare Optik|nichtlineare optische Kristalle]], mit denen Lichtstrahlen zur Steuerung anderer Lichtstrahlen manipuliert werden können.
Like any computing system, an optical computing system needs three things to function well:
# optical processor
# optical data transfer, e.g. fiber-optic cable
# [[optical storage]],<ref>{{Cite web|url=https://www.microsoft.com/en-us/research/video/project-silica-storing-data-in-glass|title=Project Silica|website=Microsoft Research|language=en-US|access-date=2019-11-07}}</ref>


Wie jedes binäre Computersystem benötigt auch ein optisches Rechensystem drei Voraussetzungen:
Substituting electrical components will need data format conversion from photons to electrons, which will make the system slower.


* einen optischen Prozessor
===Controversy===
* optische Datenübertragung, z. B. über Glasfaserkabel
There are some disagreements between researchers about the future capabilities of optical computers; whether or not they may be able to compete with semiconductor-based electronic computers in terms of speed, power consumption, cost, and size is an open question. Critics note that<ref name="Tucker">{{cite journal |first=R.S. |last=Tucker |title=The role of optics in computing |journal=Nature Photonics |volume=4 |issue=7 |pages=405 |date=2010 |doi=10.1038/nphoton.2010.162 |bibcode=2010NaPho...4..405T }}</ref> real-world logic systems require "logic-level restoration, cascadability, [[fan-out]] and input–output isolation", all of which are currently provided by electronic transistors at low cost, low power, and high speed. For optical logic to be competitive beyond a few niche applications, major breakthroughs in non-linear optical device technology would be required, or perhaps a change in the nature of computing itself.<ref>{{cite web|last1=Rajan|first1=Renju|last2=Babu|first2=Padmanabhan Ramesh|last3=Senthilnathan|first3=Krishnamoorthy|title=All-Optical Logic Gates Show Promise for Optical Computing|url=https://www.photonics.com/a63226/All-Optical_Logic_Gates_Show_Promise_for_Optical|website=Photonics|publisher=Photonics Spectra|access-date=8 April 2018}}</ref>
* [[Optischer Datenspeicher|optischen Datenspeicher]], z. B. durch Zwischenspeichern in Schallwellen<ref name="Deutschlandfunk_2020-08-04" /> oder Langzeitspeichern in [[Siliciumdioxid]]<ref>{{Cite web|url=https://www.microsoft.com/en-us/research/video/project-silica-storing-data-in-glass|title=Project Silica |website=Microsoft Research |author=Ant Rowstron |language=en-US |date=2019-11-09 |access-date=2019-11-07}}</ref>


== Vor- und Nachteile ==
==Misconceptions, challenges, and prospects==
Der Einsatz optischer Systeme in der Rechentechnik bietet einige Vorteile gegenüber der konventionellen Elektronik:
A significant challenge to optical computing is that computation is a [[nonlinear]] process in which multiple signals must interact. Light, which is an [[electromagnetic wave]], can only interact with another electromagnetic wave in the presence of electrons in a material,<ref>{{cite book|isbn=978-0387946597 |author=Philip R. Wallace|title= Paradox Lost: Images of the Quantum|date=1996}}</ref> and the strength of this interaction is much weaker for electromagnetic waves, such as light, than for the electronic signals in a conventional computer. This may result in the processing elements for an optical computer requiring more power and larger dimensions than those for a conventional electronic computer using transistors.{{Citation needed|date=December 2008}}
* nahezu verlustfreie [[Datenübertragung|Übertragung]] über lange Strecken
* Hohe [[Übertragungsgeschwindigkeit]] (etwa zehnfache Geschwindigkeit elektronischer Verbindungen)
* Hohe [[Bandbreite]] (zum Beispiel durch Einsatz von Wellenlängenmultiplex)
* Optische Freiraumverbindungen ermöglichen direkte Verbindung und dreidimensionale Verbindungen


Dagegen ergibt der erhöhte Aufwand bei der Herstellung und Integration optischer Elemente in vorhandene Systeme höhere Produktionskosten.
A further misconception{{by whom|date=May 2019}} is that since light can travel much faster than the [[drift velocity]] of electrons, and at frequencies measured in [[Terahertz (unit)|THz]], optical transistors should be capable of extremely high frequencies. However, any electromagnetic wave must obey the [[Bandwidth-limited pulse|transform limit]], and therefore the rate at which an optical transistor can respond to a signal is still limited by its [[spectral bandwidth]]. In [[fiber-optic communication]]s, practical limits such as [[dispersion (optics)|dispersion]] often constrain [[Wavelength-division multiplexing|channel]]s to bandwidths of 10s of GHz, only slightly better than many silicon transistors. Obtaining dramatically faster operation than electronic transistors would therefore require practical methods of transmitting [[ultrashort pulse]]s down highly dispersive waveguides.


=== Kontroverse ===
==Photonic logic==
Über die zukünftigen Leistungsfähigkeit optischer Computer herrscht Uneinigkeit; ob sie mit elektronischen Computern auf Halbleiterbasis in Bezug auf Geschwindigkeit, Stromverbrauch, Kosten und Größe konkurrieren können, ist eine offene Frage. Kritiker weisen darauf hin, dass reale Logiksysteme „Wiederherstellung auf Logikebene, Kaskadierbarkeit, Fan-out und Eingangs-Ausgangs-Isolierung“ erfordern, die derzeit alle von elektronischen Transistoren zu niedrigen Kosten, geringer Stromaufnahme und hoher Geschwindigkeit bereitgestellt werden.<ref name="Tucker_2010" /> Damit die optische Logik über einige wenige Nischenanwendungen hinaus wettbewerbsfähig ist, sind große Durchbrüche in der Technologie nichtlinearer optischer Bauelemente erforderlich bzw. geänderte Art der Datenverarbeitung selbst.<ref name="photonics_2018-04" />
[[File:optical-NOT-gate-int.svg|thumb|right|Realization of a photonic controlled-NOT gate for use in quantum computing]]


== Einsatzmöglichkeiten optischer Verbindungen ==
Photonic logic is the use of photons ([[light]]) in [[logic gate]]s (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Switching is obtained using [[nonlinear optics|nonlinear optical effect]]s when two or more signals are combined.<ref name=jainprattpatent />
* Verbindung von [[Baugruppe]]n, z.&nbsp;B. Computer mit Computer
* Verbindung von [[Leiterplatte]]n, z.&nbsp;B. in Rechenwerken
* Verbindung von [[Bauteil (Technik)|Bauteilen]] auf Leiterplatten, z.&nbsp;B. CPU mit Arbeitsspeicher
* Verbindungen in [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreisen]]


Während die Verbindung von Baugruppen und Leiterplatten heute bereits Verwendung findet, sind Verbindungen von und in integrierten Schaltkreisen noch in der Entwicklung.
[[Optical cavity|Resonator]]s are especially useful in photonic logic, since they allow a build-up of energy from [[constructive interference]], thus enhancing optical nonlinear effects.


== Prinzipien der optoelektronischen Datenverarbeitung ==
Other approaches that have been investigated include photonic logic at a [[Nanotechnology|molecular level]], using [[Photoluminescence|photoluminescent]] chemicals. In a demonstration, Witlicki et al. performed logical operations using molecules and [[surface enhanced Raman spectroscopy|SERS]].<ref>{{cite journal | title = Molecular Logic Gates Using Surface-Enhanced Raman-Scattered Light | first9 = Amar H. | last9 = Flood | first8 = Lasse | last8 = Jensen | first7 = Eric W. | last7 = Wong | first6 = Jan O. | last6 = Jeppesen | first5 = Vincent J. | last5 = Bottomley | first4 = Daniel W. | last4 = Silverstein | first3 = Stinne W. | last3 = Hansen | journal = [[J. Am. Chem. Soc.]] | first2 = Carsten | date = 2011 | volume = 133 | issue = 19 | last2 = Johnsen | pages = 7288–91 | doi = 10.1021/ja200992x | pmid = 21510609 | first1 = Edward H. | last1 = Witlicki | url = https://figshare.com/articles/Molecular_Logic_Gates_Using_Surface_Enhanced_Raman_Scattered_Light/2651761 }}</ref>
Es werden optische Verbindungselemente und/oder Verarbeitungseinheiten in elektronische Systeme integriert. Licht dient als [[Informationsträger]], die logischen [[Schaltvorgang|Schaltvorgänge]] werden elektronisch gesteuert. Diese Methode eignet sich besonders gut zur Verteilung des [[Taktsignal|Taktes]] in einem System, was auch zu einer Minimierung des [[Taktversatz]]es führt.


== Prinzipien der optischen Datenverarbeitung ==
==Unconventional approaches==
Hier kommen vor allem passive optische Elemente zum Einsatz. Licht dient auch hier als Informationsträger, jedoch erfolgen die Schaltvorgänge durch Steuer-Lichtstrahlen, die den [[Brechungsindex]] von [[Nichtlineare Optik| nichtlinearen optischen Stoffen]] ändern. Solche Bauteile weisen ähnliche Eigenschaften wie elektronische [[Transistor]]en auf.


== Photonische Logik ==
===Time delays optical computing===
[[Datei:optical-NOT-gate-int.svg|mini|Realisierung eines photonisch gesteuerten NICHT-Gatters zur Verwendung in [[Quantencomputer]]n]]
Photonische Logik ist die Verwendung von Photonen in [[Logikgatter]]n ([[Negation|NOT]], AND, OR, NAND, NOR, [[Kontravalenz|XOR]], [[XNOR-Verknüpfung|XNOR]]). Die Umschaltung erfolgt durch [[nichtlineare Optik|nichtlineare optische Effekte]], wenn zwei oder mehr Signale kombiniert werden.<ref name="jainprattpatent" />


[[Resonator]]e sind in der photonischen Logik besonders nützlich, da sie einen Aufbau von Energie aus [[Interferenz_(Physik)#Interferenz_zweier_Wellen_gleicher_Frequenz_und_Amplitude,_aber_unterschiedlicher_Phase|konstruktiver Interferenz]] ermöglichen und damit optische nichtlineare Effekte verstärken.
The basic idea is to delay light (or any other signal) in order to perform useful computations.<ref name="oltean_hamiltonian">{{cite conference|last=Oltean|first=Mihai|title= A light-based device for solving the Hamiltonian path problem |conference=Unconventional Computing| pages= 217–227| publisher= Springer LNCS 4135|doi=10.1007/11839132_18|date=2006|arxiv=0708.1496}}</ref> Of interest would be to solve [[NP-completeness|NP-complete problem]]s as those are difficult problems for the conventional computers.


Weitere untersuchte Ansätze sind die photonische Logik auf [[Nanotechnologie|molekularer Ebene]] unter Verwendung von [[Photolumineszenz|photolumineszierenden]] Chemikalien. In einer Demonstration führten Witlicki et al. logische Operationen mit Molekülen und oberflächenverstärkte [[Raman-Spektroskopie]] (SERS) durch.<ref name="Journal_of_the_American_Chemical_Society_2011" />
There are 2 basic properties of light that are actually used in this approach:


== Literatur ==
* The light can be delayed by passing it through an optical fiber of a certain length.
* {{Literatur
* The light can be split into multiple (sub)rays. This property is also essential because we can evaluate multiple solutions in the same time.
|Autor=Fumio Inaba
|Titel=Optische Computer
|Jahr=1992
|Verlag=Springer Verlag
|Ort=
|ISBN=3662011395
|Seiten=328}}


== Weblinks ==
When solving a problem with time-delays the following steps must be followed:
* {{Internetquelle
|autor=Ben Schwan
|url=https://www.heise.de/newsticker/meldung/Die-Rueckkehr-der-optischen-Computer-3997681.html
|titel=Die Rückkehr der optischen Computer
|datum=2018-03-21
|werk=[[heise online]]
|abruf-verborgen=1
|abruf=2022-02-08}}


* {{Internetquelle
* The first step is to create a graph-like structure made from optical cables and splitters. Each graph has a start node and a destination node.
|autor=
* The light enters through the start node and traverses the graph until it reaches the destination. It is delayed when passing through arcs and divided inside nodes.
|url=https://www.scinexx.de/businessnews/kompakte-optische-datenuebertragung/
* The light is marked when passing through an arc or through an node so that we can easily identify that fact at the destination node.
|titel=Kompakte, optische Datenübertragung
* At the destination node we will wait for a signal (fluctuation in the intensity of the signal) which arrives at a particular moment(s) in time. If there is no signal arriving at that moment, it means that we have no solution for our problem. Otherwise the problem has a solution. Fluctuations can be read with a [[photodetector]] and an [[oscilloscope]].
|datum=2015-07-28
|werk=[[Karlsruher Institut für Technologie]]
|hrsg=[[Scinexx]]
|abruf-verborgen=1
|abruf=2022-02-08}}


* {{Internetquelle
The first problem attacked in this way was the [[Hamiltonian path problem]].<ref name="oltean_hamiltonian"/>
|autor=Leslie Mullen
|url=https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/msad18may99_1
|titel=Pushing the Limits of Computer Technology
|datum=1999-05-18
|werk=[[NASA]] Science
|sprache=en-US
|abruf-verborgen=1
|abruf=2022-02-08}}


* {{Internetquelle
The simplest one is the [[subset sum problem]].<ref>{{cite journal|author=Mihai Oltean, Oana Muntean| title = Solving the subset-sum problem with a light-based device|journal= Natural Computing| volume= 8| issue= 2|pages =321–331| doi=10.1007/s11047-007-9059-3| date=2009 |arxiv=0708.1964| s2cid = 869226}}</ref> An optical device solving an instance with 4 numbers {a1, a2, a3, a4} is depicted below:
|autor=
|url=https://www.spektrum.de/lexikon/optik/optischer-computer/2313
|titel=Optische Computer
|titelerg=Lexikon der Optik
|datum=
|werk=[[Spektrum.de]]
|abruf-verborgen=1
|abruf=2022-10-08}}


== Einzelnachweise ==
[[File:Optical device for solving the Subset sum problem.png|Optical device for solving the Subset sum problem]]
<references>
<ref name="techtarget_2019-04">
{{Internetquelle
|autor=
|url=https://whatis.techtarget.com/de/definition/Optische-Computer
|titel=Optische Computer
|datum=2019-04
|werk=Tech Target
|abruf=2022-02-08}}
</ref>


<ref name="Deutschlandfunk_2020-08-04">
The light will enter in Start node. It will be divided into 2 (sub)rays of smaller intensity. These 2 rays will arrive into the second node at moments a1 and 0. Each of them will be divided into 2 subrays which
{{Internetquelle
will arrive in the 3rd node at moments 0, a1, a2 and a1 + a2. These represents the all subsets of the set {a1, a2}. We expect fluctuations in the intensity of the signal at no more than 4 different moments. In the destination node we expect fluctuations at no more than 16 different moments (which are all the subsets of the given). If we have a fluctuation in the target moment B, it means that we have a solution of the problem, otherwise there is no subset whose sum of elements equals B. For the practical implementation we cannot have zero-length cables, thus all cables are increased with a small (fixed for all) value k. In this case the solution is expected at moment B+n*k.
|autor=Simon Schomäcker
|url=https://www.deutschlandfunk.de/tolle-idee-was-wurde-daraus-optische-computerchips-durch-100.html
|titel=Optische Computerchips durch langsames Licht
|datum=2020-08-04
|werk=[[Deutschlandfunk]]
|hrsg=[[Deutschlandradio]]
|abruf=2022-02-08}}
</ref>


<ref name="Feitelson_1988">
===Wavelength-based computing===
{{Literatur
|Autor=Dror G. Feitelson
|Titel=Optical Computing: A Survey for Computer Scientists – Chapter 3: Optical Image and Signal Processing
|Jahr=1988
|Verlag=MIT Press
|Ort=Cambridge, Massachusetts
|ISBN=978-0-262-06112-4
|Sprache=en
|Seiten=}}
</ref>


<ref name="Nolte_2001">
Wavelength-based computing<ref>{{cite conference|author=Sama Goliaei, Saeed Jalili|title= An Optical Wavelength-Based Solution to the 3-SAT Problem|conference=Optical SuperComputing Workshop|date=2009|doi=10.1007/978-3-642-10442-8_10| pages=77–85|bibcode=2009LNCS.5882...77G}}</ref> can be used to solve the [[Boolean satisfiability problem#3-satisfiability|3-SAT]] problem with n variables, m clauses and with no more than 3 variables per clause. Each wavelength, contained in a light ray, is considered as possible value-assignments to n variables. The optical device contains prisms and mirrors are used to discriminate proper wavelengths which satisfy the formula.<ref>{{Cite journal|last=Bartlett|first=Ben|last3=Bartlett|first3=Ben|last4=Dutt|first4=Avik|last5=Fan|first5=Shanhui|date=2021-12-20|title=Deterministic photonic quantum computation in a synthetic time dimension|url=https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-8-12-1515|journal=Optica|language=EN|volume=8|issue=12|pages=1515–1523|doi=10.1364/OPTICA.424258|arxiv=2101.07786|bibcode=2021Optic...8.1515B|issn=2334-2536}}</ref>
{{Literatur
|Autor=David D. Nolte
|Titel=Mind at Light Speed: A New Kind of Intelligence
|Jahr=2001
|Verlag=Simon and Schuster
|Ort=
|ISBN=978-0-7432-0501-6
|Online=https://books.google.com/books?id=Q9lB-REWP5EC&pg=PA34
|Sprache=en
|Seiten=34}}
</ref>


<ref name="rp-photonics">
===Computing by xeroxing on transparencies===
{{Internetquelle
|autor=
|url=https://www.rp-photonics.com/nonlinear_index.html
|titel=Encyclopedia of Laser Physics and Technology – nonlinear index, Kerr effect
|datum=
|werk=RP Photonics Encyclopedia
|hrsg=
|sprache=en
|abruf=2022-02-08}}
</ref>


<ref name="jainprattpatent">
This approach uses a Xerox machine and transparent sheets for performing computations.<ref>{{cite conference|last=Head|first=Tom|title= Parallel Computing by Xeroxing on Transparencies|conference= Algorithmic Bioprocesses|date= 2009|pages=631–637|publisher=Springer|doi=10.1007/978-3-540-88869-7_31}}</ref> [[Boolean satisfiability problem#3-satisfiability|k-SAT problem]] with n variables, m clauses and at most k variables per clause has been solved in 3 steps:<ref>{{Citation |title=Computing by xeroxing on transparencies |url=https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y |language=en |access-date=2022-08-14}}</ref>
{{Internetquelle
|autor=Pratt Jr. George, Jain Kantilal
|url=https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=US&NR=4382660&KC=&FT=E&locale=en_EP
|titel=Optical transistors and logic circuits embodying the same
|datum=1983-05-10
|werk=
|hrsg=US Patent 4382660
|sprache=en-US
|abruf=2022-10-08}}
</ref>


<ref name="ApplPhysLetter_1976">
* Firstly all 2^n possible assignments of n variables have been generated by performing n xerox copies.
{{cite journal
* Using at most 2k copies of the truth table, each clause is evaluated at every row of the truth table simultaneously.
|last1=Jain
* The solution is obtained by making a single copy operation of the overlapped transparencies of all m clauses.
|first1=K.
|last2=Pratt, Jr.
|first2=G. W.
|title=Optical transistor
|journal=Appl. Phys. Lett.
|volume=28
|issue=12
|pages=719
|date=1976
|doi=10.1063/1.88627
|bibcode=1976ApPhL..28..719J }}
</ref>


<ref name="Journal_of_the_American_Chemical_Society_2011">
===Masking optical beams===
{{cite journal
| title = Molecular Logic Gates Using Surface-Enhanced Raman-Scattered Light
| first9 = Amar H.
| last9 = Flood
| first8 = Lasse
| last8 = Jensen
| first7 = Eric W.
| last7 = Wong
| first6 = Jan O.
| last6 = Jeppesen
| first5 = Vincent J.
| last5 = Bottomley
| first4 = Daniel W.
| last4 = Silverstein
| first3 = Stinne W.
| last3 = Hansen
| journal = [[Journal of the American Chemical Society]]
| first2 = Carsten
| date = 2011
| volume = 133
| issue = 19
| last2 = Johnsen
| pages = 7288-91
| doi = 10.1021/ja200992x
| pmid = 21510609
| first1 = Edward H.
| last1 = Witlicki
| url = https://figshare.com/articles/Molecular_Logic_Gates_Using_Surface_Enhanced_Raman_Scattered_Light/2651761 }}
</ref>


<ref name="photonics_2018-04">
The [[travelling salesman problem]] has been solved by Shaked ''et al'' (2007)<ref>{{cite journal| author= NT Shaked, S Messika, S Dolev, J Rosen |title=Optical solution for bounded NP-complete problems|journal= Applied Optics|pages=711–724|volume=46|issue=5|date=2007|doi=10.1364/AO.46.000711|pmid=17279159|bibcode=2007ApOpt..46..711S|s2cid=17440025|url=https://semanticscholar.org/paper/074018c5930b0bc0e9b2c826488048415180ed05}}</ref> by using an optical approach. All possible TSP paths have been generated and stored in a binary matrix which was multiplied with another gray-scale vector containing the distances between cities. The multiplication is performed optically by using an optical correlator.
{{Internetquelle
|autor=Renju Rajan, Padmanabhan Ramesh Babu, Krishnamoorthy Senthilnathan
|url=https://www.photonics.com/a63226/All-Optical_Logic_Gates_Show_Promise_for_Optical
|titel=All-Optical Logic Gates Show Promise for Optical Computing
|datum=2018-04
|werk=Photonics
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===Optical Fourier co-processors===
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Many computations, particularly in scientific applications, require frequent use of the 2D [[discrete Fourier transform]] (DFT) – for example in solving differential equations describing propagation of waves or transfer of heat. Though modern GPU technologies typically enable high-speed computation of large 2D DFTs, techniques have been developed that can perform continuous Fourier transform optically by utilising the natural [[Fourier optics#Fourier transforming property of lenses|Fourier transforming property of lens]]es. The input is encoded using a [[liquid crystal]] [[spatial light modulator]] and the result is measured using a conventional CMOS or CCD image sensor. Such optical architectures can offer superior scaling of computational complexity due to the inherently highly interconnected nature of optical propagation, and have been used to solve 2D heat equations.<ref>{{cite journal| author= A. J. Macfaden, G. S. D. Gordon, T. D. Wilkinson |title=An optical Fourier transform coprocessor with direct phase determination|journal= Scientific Reports | volume = 7 |issue=1|pages=13667|date=2017|doi=10.1038/s41598-017-13733-1|pmid=29057903|pmc=5651838|bibcode=2017NatSR...713667M}}</ref>
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</references>
=== Ising machines ===


[[Kategorie:Photonik]]
Physical computers whose design was inspired by the theoretical [[Ising model]] are called Ising machines.<ref name="courtland" /><ref name="cartlidge" /><ref>{{Cite news |first=Adrian |last=Cho |url=https://www.science.org/content/article/odd-computer-zips-through-knotty-tasks |title=Odd computer zips through knotty tasks |work=Science |date=2016-10-20}}</ref>

[[Yoshihisa Yamamoto (scientist)|Yoshihisa Yamamoto]]'s lab at [[Stanford University|Stanford]] pioneered building Ising machines using photons. Initially Yamamoto and his colleagues built an Ising machine using lasers, mirrors, and other optical components commonly found on an [[optical table]].<ref name="courtland" /><ref name="cartlidge">{{Cite news |first=Edwin |last=Cartlidge |url=http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/oct/31/new-ising-machine-computers-are-taken-for-a-spin |title=New Ising-machine computers are taken for a spin |date=31 October 2016 |work=Physics World}}</ref>

Later a team at [[Hewlett Packard Labs]] developed [[photonic chip]] design tools and used them to build an Ising machine on a single chip, integrating 1,052 optical components on that single chip.<ref name="courtland">{{Cite news |first=Rachel |last=Courtland |url=https://spectrum.ieee.org/semiconductors/processors/hpes-new-chip-marks-a-milestone-in-optical-computing |title=HPE's New Chip Marks a Milestone in Optical Computing |date=2 January 2017 |work=IEEE Spectrum}}</ref>

==See also==
*[[Linear optical quantum computing]]
*[[Optical interconnect]]
*[[Optical neural network]]
*{{section link|Photonic crystal|Applications}}
*[[Photonic integrated circuit]]
*[[Photonic molecule]]
*[[Photonic transistor]]
*[[Silicon photonics]]

==References==
{{Reflist|30em}}

==Further reading==
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* {{cite book |title=Optical Computer Architectures: The Application of Optical Concepts to Next Generation Computers |last=McAulay |first=Alastair D. |date=1991 |publisher=John Wiley & Sons |location=New York, NY |isbn=978-0-471-63242-9}}
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* {{cite book |author=Guha A.|author2=Ramnarayan R.|author3=Derstine M. |chapter=Architectural issues in designing symbolic processors in optics |title=Proceedings of the 14th annual international symposium on Computer architecture (ISCA '87) |publisher=ACM |date=1987 |isbn=978-0-8186-0776-9 |pages=145–151 |doi=10.1145/30350.30367|s2cid=14228669}}
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* {{cite book |first1=S. |last1=Dolev |first2=M. |last2=Oltean |title=Optical Supercomputing: Second International Workshop, OSC 2009, Bertinoro, Italy, November 18–20, 2009, Proceedings |url=https://books.google.com/books?id=sl44EkMjcIkC |date=2009 |publisher=Springer |isbn=978-3-642-10441-1}}
* {{cite book |first1=S. |last1=Dolev |first2=M. |last2=Oltean |title=Optical Supercomputing: Third International Workshop, OSC 2010, Bertinoro, Italy, November 17–19, 2010, Revised Selected Papers |url=https://books.google.com/books?id=uf65jCXgFvwC |date=2011 |publisher=Springer |isbn=978-3-642-22493-5}}
* {{cite book |first1=S. |last1=Dolev |first2=M. |last2=Oltean |title=Optical Supercomputing: 4th International Workshop, OSC 2012, in Memory of H. John Caulfield, Bertinoro, Italy, July 19–21, 2012. Revised Selected Papers |url=https://books.google.com/books?id=Sy-7BQAAQBAJ |date=2013 |publisher=Springer |isbn=978-3-642-38250-5}}
* [https://web.archive.org/web/20090913002603/http://www.newscientist.com/article/mg19526136.400-speedoflight-computing-comes-a-step-closer.html Speed-of-light computing comes a step closer] ''New Scientist''
* {{cite journal |author= Caulfield H.|author2= Dolev S.|title= Why future supercomputing requires optics| journal= Nature Photonics| volume=4 |issue= 5|pages=261–263 |date=2010 |doi=10.1038/nphoton.2010.94}}
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* {{cite book |first1=Yevgeny B.|last1=Karasik |title=Optical Computational Geometry |url=https://www.amazon.com/Optical-Computational-Geometry-computational-constructions-dp-B095MQJ8NJ/dp/B095MQJ8NJ |date=2019 |isbn=979-8511243344}}

==External links==
* [https://www.wired.com/news/technology/0,1282,69033,00.html?tw=newsletter_topstories_html This Laser Trick's a Quantum Leap]
* [http://www.extremetech.com/article2/0,1558,1779951,00.asp Photonics Startup Pegs Q2'06 Production Date]
* [http://www.physorg.com/news6123.html Stopping light in quantum leap]
* [http://www.physorg.com/news199470370.html High Bandwidth Optical Interconnects]

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Version vom 8. Oktober 2022, 14:00 Uhr

Optische Computer sind Computer oder Rechenwerke, die vollständig oder teilweise mit optischen Elementen anstatt elektronischer Komponenten Daten verarbeiten. Hierbei kommen optoelektronische Elemente oder passive optische nicht-lineare Elemente zum Einsatz.

Einleitung

Ein optischer beziehungsweise photonischer Computer ist ein Gerät, das Photonen im sichtbaren Licht oder Infrarotstrahlung anstelle elektrischer Impulse nutzt.[1] Die von Lasern oder Leuchtdioden emittierten Photonen werden zur Datenverarbeitung genutzt. Photonen haben eine höhere Bandbreite und eine zehnmal höhere Geschwindigkeit als die in herkömmlichen Computern verwendeten Elektronen (siehe Lichtwellenleiter).

Die meisten Forschungsprojekte konzentrieren sich darauf, die stromführende digitale Computerkomponenten durch optische Äquivalente zu ersetzen, was zu einem optischen digitalen Computersystem führt, das binäre Daten verarbeitet. Dieser Ansatz bietet hat den Vorteil, dass optische Komponenten in herkömmliche Computer integriert werden können, um ein optisch-elektronisches Hybridsystem zu schaffen. Optoelektronische Komponenten verlieren jedoch 30 % ihrer Energie für die Umwandlung von elektrischer Energie in Photonen und zurück; diese Umwandlung verlangsamt auch die Übertragung von Nachrichten. Bei rein optischen Computern entfällt die Notwendigkeit der optisch-elektrisch-optischen (OEO) Umwandlung, was den Stromverbrauch senkt.[2]

Anwendungsspezifische Geräte wie das Synthetic Aperture Radar (SAR) und optische Korrelatoren wurden entwickelt, um die Prinzipien der optischen Datenverarbeitung zu nutzen. Korrelatoren können beispielsweise zur Erkennung und Verfolgung von Objekten[3] und zur Klassifizierung serieller optischer Daten in Abhängigkeit von der Zeit eingesetzt werden.[4]

Optische Komponenten für binäre Digitalrechner

Der grundlegende Baustein moderner elektronischer Computer ist der Transistor. Um elektronische Bauteile durch optische zu ersetzen, ist ein entsprechender optischer Transistor erforderlich. Dies wird durch die Verwendung von Materialien mit einem nichtlinearen Brechungsindex erreicht. Insbesondere gibt es Materialien,[5] bei denen die Intensität des einfallenden Lichts die Intensität des durch das Material durchgelassenen Lichts in ähnlicher Weise beeinflusst wie das Stromverhalten eines bipolaren Transistors. Ein solcher optischer Transistor[6][7] kann zur Herstellung optischer Logikgatter verwendet werden,[7] die wiederum zu den übergeordneten Komponenten des Prozessors (CPU) eines Computers zusammengesetzt werden. Dabei handelt es sich um nichtlineare optische Kristalle, mit denen Lichtstrahlen zur Steuerung anderer Lichtstrahlen manipuliert werden können.

Wie jedes binäre Computersystem benötigt auch ein optisches Rechensystem drei Voraussetzungen:

Vor- und Nachteile

Der Einsatz optischer Systeme in der Rechentechnik bietet einige Vorteile gegenüber der konventionellen Elektronik:

  • nahezu verlustfreie Übertragung über lange Strecken
  • Hohe Übertragungsgeschwindigkeit (etwa zehnfache Geschwindigkeit elektronischer Verbindungen)
  • Hohe Bandbreite (zum Beispiel durch Einsatz von Wellenlängenmultiplex)
  • Optische Freiraumverbindungen ermöglichen direkte Verbindung und dreidimensionale Verbindungen

Dagegen ergibt der erhöhte Aufwand bei der Herstellung und Integration optischer Elemente in vorhandene Systeme höhere Produktionskosten.

Kontroverse

Über die zukünftigen Leistungsfähigkeit optischer Computer herrscht Uneinigkeit; ob sie mit elektronischen Computern auf Halbleiterbasis in Bezug auf Geschwindigkeit, Stromverbrauch, Kosten und Größe konkurrieren können, ist eine offene Frage. Kritiker weisen darauf hin, dass reale Logiksysteme „Wiederherstellung auf Logikebene, Kaskadierbarkeit, Fan-out und Eingangs-Ausgangs-Isolierung“ erfordern, die derzeit alle von elektronischen Transistoren zu niedrigen Kosten, geringer Stromaufnahme und hoher Geschwindigkeit bereitgestellt werden.[10] Damit die optische Logik über einige wenige Nischenanwendungen hinaus wettbewerbsfähig ist, sind große Durchbrüche in der Technologie nichtlinearer optischer Bauelemente erforderlich bzw. geänderte Art der Datenverarbeitung selbst.[11]

Einsatzmöglichkeiten optischer Verbindungen

Während die Verbindung von Baugruppen und Leiterplatten heute bereits Verwendung findet, sind Verbindungen von und in integrierten Schaltkreisen noch in der Entwicklung.

Prinzipien der optoelektronischen Datenverarbeitung

Es werden optische Verbindungselemente und/oder Verarbeitungseinheiten in elektronische Systeme integriert. Licht dient als Informationsträger, die logischen Schaltvorgänge werden elektronisch gesteuert. Diese Methode eignet sich besonders gut zur Verteilung des Taktes in einem System, was auch zu einer Minimierung des Taktversatzes führt.

Prinzipien der optischen Datenverarbeitung

Hier kommen vor allem passive optische Elemente zum Einsatz. Licht dient auch hier als Informationsträger, jedoch erfolgen die Schaltvorgänge durch Steuer-Lichtstrahlen, die den Brechungsindex von nichtlinearen optischen Stoffen ändern. Solche Bauteile weisen ähnliche Eigenschaften wie elektronische Transistoren auf.

Photonische Logik

Realisierung eines photonisch gesteuerten NICHT-Gatters zur Verwendung in Quantencomputern

Photonische Logik ist die Verwendung von Photonen in Logikgattern (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Die Umschaltung erfolgt durch nichtlineare optische Effekte, wenn zwei oder mehr Signale kombiniert werden.[7]

Resonatore sind in der photonischen Logik besonders nützlich, da sie einen Aufbau von Energie aus konstruktiver Interferenz ermöglichen und damit optische nichtlineare Effekte verstärken.

Weitere untersuchte Ansätze sind die photonische Logik auf molekularer Ebene unter Verwendung von photolumineszierenden Chemikalien. In einer Demonstration führten Witlicki et al. logische Operationen mit Molekülen und oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) durch.[12]

Literatur

Einzelnachweise

  1. ↑ Optische Computer. In: Tech Target. April 2019, abgerufen am 8. Februar 2022.
  2. ↑ David D. Nolte: Mind at Light Speed: A New Kind of Intelligence. Simon and Schuster, 2001, ISBN 978-0-7432-0501-6, S. 34 (englisch, google.com).
  3. ↑ Dror G. Feitelson: Optical Computing: A Survey for Computer Scientists – Chapter 3: Optical Image and Signal Processing. MIT Press, Cambridge, Massachusetts 1988, ISBN 978-0-262-06112-4 (englisch).
  4. ↑ S. K. Kim, K. Goda, A. M. Fard, B. Jalali: Optical time-domain analog pattern correlator for high-speed real-time image recognition. In: Optics Letters. 36. Jahrgang, Nr. 2, 2011, S. 220–2, doi:10.1364/ol.36.000220, PMID 21263506, bibcode:2011OptL...36..220K (semanticscholar.org).
  5. ↑ Encyclopedia of Laser Physics and Technology – nonlinear index, Kerr effect. In: RP Photonics Encyclopedia. Abgerufen am 8. Februar 2022 (englisch).
  6. ↑ K. Jain, G. W. Pratt, Jr.: Optical transistor. In: Appl. Phys. Lett. 28. Jahrgang, Nr. 12, 1976, S. 719, doi:10.1063/1.88627, bibcode:1976ApPhL..28..719J.
  7. ↑ a b c Pratt Jr. George, Jain Kantilal: Optical transistors and logic circuits embodying the same. US Patent 4382660, 10. Mai 1983, abgerufen am 8. Oktober 2022 (amerikanisches Englisch).
  8. ↑ Simon Schomäcker: Optische Computerchips durch langsames Licht. In: Deutschlandfunk. Deutschlandradio, 4. August 2020, abgerufen am 8. Februar 2022.
  9. ↑ Ant Rowstron: Project Silica. In: Microsoft Research. 9. November 2019, abgerufen am 7. November 2019 (amerikanisches Englisch).
  10. ↑ R.S. Tucker: The role of optics in computing. In: Nature Photonics. 4. Jahrgang, Nr. 7, 2010, S. 405, doi:10.1038/nphoton.2010.162, bibcode:2010NaPho...4..405T.
  11. ↑ Renju Rajan, Padmanabhan Ramesh Babu, Krishnamoorthy Senthilnathan: All-Optical Logic Gates Show Promise for Optical Computing. In: Photonics. Photonics Spectra, April 2018, abgerufen am 8. Oktober 2022 (englisch).
  12. ↑ Edward H. Witlicki, Carsten Johnsen, Stinne W. Hansen, Daniel W. Silverstein, Vincent J. Bottomley, Jan O. Jeppesen, Eric W. Wong, Lasse Jensen, Amar H. Flood: Molecular Logic Gates Using Surface-Enhanced Raman-Scattered Light. In: Journal of the American Chemical Society. 133. Jahrgang, Nr. 19, 2011, S. 7288-91, doi:10.1021/ja200992x, PMID 21510609 (figshare.com).
Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Optischer_Computer&oldid=226864994“