پژوهشگران دانشگاه کوئینز از ساخت نوعی کامپیوتر نوین خبر دادهاند که در دسته کامپیوترهای کلاسیک و کوانتومی قرار نمیگیرد، بلکه با استفاده از نور مسائل پیچیده را پردازش میکند.
به گزارش سرویس کامپیوتر تکناک، این سامانه که با قطعات معمول شبکههای اینترنتی ساخته شده است، در دمای اتاق کار میکند و برخلاف بسیاری از نمونههای آزمایشی، برای ساعتها پایدار باقی میماند، که آن را به گزینهای جدی برای کاربردهای صنعتی تبدیل میکند.
در دهههای گذشته، راهبرد غالب برای حل مسائل دشوار محاسباتی، افزایش توان پردازشی از طریق ساخت کامپیوترهای بزرگتر و قدرتمندتر بوده است. با وجود این، بسیاری از مسائل مهم علمی و صنعتی نه به دلیل پیچیدگی مفهومی، بلکه به خاطر تعداد بسیار زیاد پاسخهای ممکن، عملاً از دسترس کامپیوترها خارج میشوند. در چنین مسائلی، فضای جستوجو آنقدر سریع رشد میکند که حتی ابرکامپیوترها و کامپیوترهای کوانتومی نیز قادر به بررسی همه گزینهها نیستند.
این محدودیت در حوزههایی مانند: کشف دارو، رمزنگاری، بهینهسازی شبکههای حملونقل، مدیریت زنجیره تأمین، برنامهریزی شهری و بازارهای مالی بهوضوح دیده میشود. در همه این موارد، یافتن «بهترین پاسخ» در میان میلیاردها یا حتی تریلیونها حالت ممکن، چالشی اساسی به حساب میآید. پژوهشگران دانشگاه کوئینز برای عبور از این مانع، رویکرد متفاوتی را برگزیدهاند و بهجای تکیه بر الکترونیک متعارف از خود فیزیک نور به عنوان ابزار محاسباتی استفاده کردهاند.
این سامانه جدید پردازش با نور بر پایه مفهومی موسوم به «ماشین ایزینگ» طراحی شده است. ماشین ایزینگ نوعی کامپیوتر تخصصی است که برای حل مسائل بهینهسازی به کار میرود. در این چارچوب، مسئله به مجموعهای از متغیرهای دوتایی موسوم به اسپین نگاشت میشود، که هرکدام میتوانند یکی از دو حالت ممکن را بپذیرند. تعامل میان این اسپینها بهگونهای تعریف میشود که کمانرژیترین حالت کل سامانه، معادل بهترین پاسخ مسئله باشد. در نتیجه، اگر سامانه بتواند به طور طبیعی به این حالت پایدار برسد، پاسخ بهینه به دست آمده است.
مطلب پیشنهادی: ابداع روشی جدید برای پردازش دادهها با استفاده از گرمای هدررفته
پژوهشگران در این پروژه بهجای استفاده از آهنرباها یا اجزای کوانتومی، هر اسپین را با حضور یا عدم حضور یک پالس نوری نمایش دادهاند. این پالسها درون حلقهای از اجزای اپتوالکترونیکی شامل لیزرهای استاندارد، کابلهای فیبر نوری و مدولاتورها گردش میکنند؛ قطعاتی که هماکنون به طور گسترده در زیرساخت اینترنت جهانی استفاده میشوند. با هر بار گردش، پالسهای نور بر یکدیگر اثر میگذارند و به تدریج به الگویی پایدار میرسند که نمایانگر یک پاسخ مناسب برای مسئله است.
به گفته Bhavin Shastri، یکی از نویسندگان این پژوهش، مشکل اصلی بسیاری از مسائل واقعی، رشد انفجاری تعداد گزینهها است. او برای توضیح این موضوع به مثال مسیریابی اشاره میکند. در یک شبکه توزیع کالا با پنج ایستگاه، تنها ۱۲ مسیر ممکن وجود دارد، اما با ۱۰ ایستگاه این عدد به حدود ۱۸۰ هزار مسیر میرسد. با ۲۰ ایستگاه، تعداد گزینهها از ۶۰ میلیون میلیارد فراتر میرود و با ۵۰ ایستگاه، بررسی همه حالتها به زمانی طولانیتر از عمر جهان نیاز خواهد داشت. در چنین شرایطی، حتی سریعترین کامپیوترها نیز عملاً ناتوان میشوند.
مزیت کلیدی رویکرد پردازش با نور در این است که سامانه بهجای بررسی تکتک گزینهها، اجازه میدهد دینامیک فیزیکی سیستم به طور طبیعی به سمت یک پاسخ خوب حرکت کند. نور با سرعتی بسیار بالا حرکت میکند و این ویژگی امکان انجام میلیاردها تعامل در هر ثانیه را فراهم میسازد. علاوه بر این، برخلاف بسیاری از فناوریهای نوظهور محاسباتی که به دماهای بسیار پایین یا مواد خاص نیاز دارند، این ماشین در دمای اتاق کار میکند و از نظر مصرف انرژی نیز بهمراتب بهینهتر است.
بر اساس گزارش پژوهشگران، این معماری با استفاده از تنها پنج مؤلفه اصلی قادر است مسائل کاملاً متصل با حداکثر ۲۵۶ اسپین و بیش از ۶۵ هزار اتصال را حل کند. این سامانه میتواند در حالت مسائل تنک، بیش از ۴۱ هزار اسپین و بیش از ۲۰۵ هزار اتصال را پوشش دهد. این اعداد در مقایسه با بسیاری از ماشینهای ایزینگ نوری موجود که هزینههای بالایی دارند و اغلب پس از چند میلیثانیه دچار ناپایداری میشوند، پیشرفت قابل توجهی محسوب میشود. همچنین پایداری چندساعته این سامانه، امکان کاوش عمیقتر در فضای پاسخ را فراهم کرده است.
کاربردهای بالقوه این فناوری، گسترده ارزیابی میشود. در صنعت داروسازی، بهینهسازی ساختار مولکولها میتواند زمان و هزینه توسعه دارو را کاهش دهد. در لجستیک و حملونقل، برنامهریزی مسیرها و تخصیص منابع میتواند با دقت و سرعت بیشتری انجام شود. در حوزه انرژی، بهینهسازی شبکههای توزیع و مصرف میتواند به کاهش هدررفت و افزایش پایداری کمک کند. با وجود این، پژوهشگران تأکید میکنند که این سامانه جایگزین کامپیوترهای همهمنظوره نیست و تنها برای دسته خاصی از مسائل بهینهسازی طراحی شده است.
تیم تحقیقاتی دانشگاه کوئینز در گامهای بعدی قصد دارد مقیاس سامانه را افزایش دهد، بهرهوری انرژی آن را بهبود بخشد و با شرکای صنعتی برای آزمایش کاربردهای واقعی همکاری کند. اگر این مسیر با موفقیت طی شود، رایانش مبتنی بر نور میتواند به عنوان یک شاخه جدید در کنار کامپیوترهای کلاسیک و کوانتومی، نقش مهمی در حل برخی از دشوارترین مسائل جهان ایفا کند.
