Čip pracující se světlem ukazuje rychlejší výpočty, ale neobejde se bez okolní elektroniky

Čip pracující se světlem pro AI a kvantové počítání si není dobré představovat jako solární panel, který napájí notebook. Přesnější příběh je integrovaná fotonika: čip, který vytváří, vede, mění a čte světlo uvnitř nanoskopických struktur. ScienceDaily popsalo malý fotonický prvek využívající atomárně tenké materiály a nanostruktury ke zpracování světelných informací na jedné platformě. Pokud takové prvky dozrají, fotony by mohly pomoci přesouvat data a provádět některé operace s menším teplem a větší šířkou pásma než čistě elektronické vodiče.


Mechanismus začíná vlnovodem, mikroskopickou cestou, která drží světlo a vede je přes čip. Informace může být zapsána do intenzity, fáze, vlnové délky, načasování nebo polarizace. Modulátory tyto vlastnosti mění. Rezonátory a interferometry skládají paprsky tak, aby výstup představoval výpočet nebo kvantový stav. Detektory potom převádějí optický výsledek zpět na elektrické signály, s nimiž mohou běžné řídicí systémy pracovat. Atomárně tenké materiály jsou lákavé, protože jejich optické a elektrické vlastnosti mohou být výrazné i ve vrstvách o tloušťce několika atomů.

Pro hardware umělé inteligence je přitažlivý hlavně přesun dat a operace podobné maticovému násobení. Moderní akcelerátory spotřebují velkou část energie na přesouvání čísel mezi pamětí, procesory a sítěmi. Optické spoje už přenášejí internetový provoz po vláknech; fotonické čipy se snaží přenést část tohoto nízkoztrátového a širokopásmového chování blíž k procesoru. Některé výzkumné systémy používají interferenci k lineární algebře, která je jádrem mnoha neuronových sítí. Zisk ale není automatický: lasery, modulátory, detektory, paměť a kalibrace také spotřebovávají energii.


V kvantovém počítání mají fotony jinou výhodu. Slabě interagují s okolím, a proto mohou nést kvantovou informaci vlákny i čipy. Integrované fotonické obvody dokážou na malé ploše připravovat dráhy, dělit paprsky, posouvat fázi a měřit jednotlivé fotony. To je užitečné pro kvantovou komunikaci, snímání i některé výpočetní architektury. Výzvou je, že užitečný kvantový hardware potřebuje spolehlivé zdroje jednotlivých fotonů, nízkoztrátové obvody, rychlé přepínače, účinné detektory a práci s chybami, nejen elegantní vlnovod.

Zralost technologie je tedy mezi laboratoří a prototypem. Křemíková fotonika je komerčně skutečná v datových komunikacích, ale fotonické akcelerátory pro AI a kvantové fotonické procesory zůstávají specializované a náročné. Drsnost v řádu nanometrů může rozptylovat světlo. Změny teploty posouvají rezonance. Přivést světlo z vlákna nebo laseru do čipu je problém pouzdření stejně jako fyziky. Atomárně tenké materiály musí být rovnoměrně umístěny, elektricky kontaktovány a chráněny před nečistotami, pokud mají opustit čistou laboratorní ukázku.

Naděje je konkrétní. Světlo dokáže nést obrovské množství informací a některé výpočty provádět způsobem, který se vyhne odporovému zahřívání kovových vodičů. Dobře navržený fotonický čip by mohl zrychlit vybrané úlohy AI, omezit komunikační úzká místa nebo zmenšit kvantově optické experimenty. Elektroniku ale nezruší. Užitečná budoucnost je hybridní: fotony dělají to, v čem je světlo silné, elektronika dodává paměť a řízení a inženýři dokazují, že spojený systém je rychlejší, stabilní a vyrobitelný mimo laboratoř.