Πριν από 80 χρόνια, οι ερευνητές J. Presper Eckert και John Mauchly ξεκίνησαν την εποχή των ηλεκτρονικών υπολογιστών αξιοποιώντας τα ηλεκτρόνια για την επίλυση πολύπλοκων αριθμητικών προβλημάτων με τον ENIAC, τον πρώτο ηλεκτρονικό υπολογιστή γενικής χρήσης στον κόσμο.
Σήμερα, η ίδια αρχιτεκτονική εξακολουθεί να αποτελεί τη βάση των υπολογιστών, αλλά τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να δείχνουν τα όριά τους. Επειδή φέρουν φορτίο, χάνουν ενέργεια ως θερμότητα, συναντούν αντίσταση καθώς κινούνται μέσα στα υλικά και γίνονται πιο δύσκολα στη διαχείριση καθώς τα τσιπ ενσωματώνουν περισσότερα τρανζίστορ και διαχειρίζονται μεγαλύτερους όγκους δεδομένων.
Φως και ύλη: Στροφή στα φωτόνια για το μέλλον
Με την τεχνητή νοημοσύνη να πιέζει το σημερινό υλικό να επεξεργάζεται, να μετακινεί και να ψύχει περισσότερο, οι φυσικοί με επικεφαλής τον Bo Zhen αναζητούν το άμαζο αντίστοιχο του ηλεκτρονίου, το φωτόνιο, για να επωμιστεί μεγαλύτερο μέρος του φορτίου.
Επειδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας, τα φωτόνια μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες γρήγορα σε μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστες απώλειες, κυριαρχώντας στην τεχνολογία των επικοινωνιών, εξηγεί ο Li He, συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης. Όμως αυτή η ουδετερότητα σημαίνει ότι ελάχιστα αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους, καθιστώντας τα ακατάλληλα για το είδος της λογικής εναλλαγής σημάτων από την οποία εξαρτώνται οι υπολογιστές.
Πώς τα εξιτόνια-πολαριτόνια επιτρέπουν την εναλλαγή
Η ομάδα του Zhen δημιούργησε ένα οιονεί σωματίδιο που «συνδυάζει την ταχύτητα του φωτός με τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις της ύλης». Αυτά τα οιονεί σωματίδια, ή εξιτόνια-πολαριτόνια, δημιουργούνται με τη σύζευξη φωτονίων με ηλεκτρόνια σε έναν ατομικά λεπτό ημιαγωγό, επιτρέποντας στο φως να αλληλοεπιδρά αρκετά ισχυρά για την εναλλαγή σημάτων που απαιτείται στους υπολογισμούς.
Η πρόοδος αυτή θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα σημαντική για την τεχνητή νοημοσύνη. Πολλά φωτονικά τσιπ τεχνητής νοημοσύνης μπορούν ήδη να εκτελέσουν απλούς υπολογισμούς χρησιμοποιώντας φως, αλλά για να εκτελέσουν μη γραμμικά βήματα ενεργοποίησης, όπως η εφαρμογή κανόνων λήψης αποφάσεων, πρέπει ακόμα να μετατρέψουν τα φωτεινά σήματα πίσω σε πιο αργά και πιο ενεργοβόρα ηλεκτρονικά σήματα.
Αλματώδης εξοικονόμηση ενέργειας και νέες προοπτικές
Αυτές οι επαναλαμβανόμενες μεταφράσεις διαβρώνουν την ταχύτητα και την αποδοτικότητα που καθιστούν την οπτική υπολογιστική ελκυστική. Χρησιμοποιώντας εξιτόνια-πολαριτόνια, η ομάδα επέδειξε εναλλαγή αποκλειστικά με φως σε περίπου 4 τετράκις εκατομμυριοστά του τζάουλ, που είναι μια εξαιρετικά μικρή ποσότητα ενέργειας – πολύ λιγότερη από την ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη σύντομη τροφοδοσία μιας μικροσκοπικής λυχνίας LED.
Εάν κλιμακωθεί, η πλατφόρμα θα μπορούσε να βοηθήσει τα φωτονικά τσιπ να επεξεργάζονται το φως απευθείας από τις κάμερες, να μειώσει τις απαιτήσεις ισχύος των μεγάλων συστημάτων τεχνητής νοημοσύνης και να ανοίξει το δρόμο για βασικές δυνατότητες κβαντικής υπολογιστικής σε τσιπ.
