7 июн 2023 897

От «Игры жизни» до фотонной технологии: удивительные возможности оптических клеточных автоматов

Команда ученых создала сетку из лазеров, которые могут включаться и выключаться в зависимости от состояния соседних лазеров. Это позволяет им моделировать поведение клеток в различных клеточных автоматах — компьютерных моделях, способных решать сложные задачи.

Клеточные автоматы — вычислительные модели, которые с помощью простых правил и методов имитируют сложные явления. Однако эти принципы реализованы только на уровне программного обеспечения с использованием обычных компьютеров.

Современные цифровые электронные компьютеры на основе архитектуры фон Неймана обладают чрезвычайно высокой аппаратной сложностью. Они состоят из миллиардов транзисторов, сложно упорядоченных по иерархическому принципу. Традиционные кремниевые транзисторы имеют ограничение по размеру из-за трудностей в производстве устройств, которые в некоторых случаях состоят всего из нескольких десятков атомов. Поэтому исследователи начали изучать вычислительные технологии, не связанные с кремниевыми транзисторами, например, квантовые компьютеры.

Алиреза Маранди, доцент кафедры электротехники и прикладной физики Калифорнийского технологического института, разработал оптическое оборудование для воплощения клеточных автоматов — типа компьютерной модели, состоящей из «мира» (сетчатой области), в котором находятся «клетки» (каждый квадрат сетки), способные жить, умирать, размножаться и эволюционировать в многоклеточные организмы со своими особенностями поведения. Эти автоматы применялись для решения компьютерных задач, и Маранди полагает, что они хорошо подходят для фотонной технологии.

Фотонное вычисление, которое использует свет вместо электричества, — еще одна область исследований, подобная тому, как оптоволоконные соединения заменили медные провода в компьютерных сетях.

Если сравнить оптоволокно с медным кабелем, то с помощью оптоволокна можно передавать информацию гораздо быстрее; главный вопрос — можем ли мы использовать эту информационную емкость света для вычислений, а не только для передачи данных? Чтобы ответить на этот вопрос, мы особенно заинтересованы в разработке нестандартных архитектур вычислительного оборудования, которые лучше подходят для фотоники, чем цифровая электроника

— Алиреза Маранди.

Команда Маранди создала аппаратное обеспечение для клеточных автоматов, используя оптические элементы. Они построили сетку из лазеров, которые могут быть включены или выключены в зависимости от состояния соседних лазеров. Это позволяет имитировать поведение клеток в «Игре жизни» и других клеточных автоматах.

Мы используем лазеры как клетки, потому что они могут быть в двух состояниях: светиться или не светиться. Кроме того, они могут взаимодействовать друг с другом через свет. Например, если два лазера направлены друг на друга, они могут синхронизировать свою интенсивность и частоту. Это позволяет нам создавать различные правила для клеточных автоматов

— Алиреза Маранди.

Одним из преимуществ оптического подхода является то, что он может работать очень быстро и параллельно. В отличие от традиционных компьютеров, которые обрабатывают информацию последовательно, оптические клеточные автоматы могут обновлять все свои клетки одновременно с высокой скоростью.

Мы можем достичь скорости порядка 10 гигагерц, что означает, что мы можем обновлять все наши клетки 10 миллиардов раз в секунду. Это намного быстрее, чем можно сделать на обычном компьютере

— Алиреза Маранди.

Оптические клеточные автоматы также могут быть полезны для решения задач, которые трудно формализовать или оптимизировать с помощью традиционных алгоритмов. Например, они могут использоваться для поиска оптимальных путей в сложных сетях или для создания новых структур и форм.

Команда Маранди продолжает развивать свою технологию и исследовать ее потенциальные применения. Они также надеются сделать свое оборудование более доступным и удобным для других исследователей и разработчиков.

Мы хотим создать платформу, которая позволит любому легко программировать и использовать наши оптические клеточные автоматы. Мы хотим дать возможность людям экспериментировать с этой технологией и открывать новые горизонты в науке и инженерии

— Алиреза Маранди.