Une classe importante de problèmes de calcul difficiles, avec des applications en théorie des graphes, les réseaux de neurones, l'intelligence artificielle et les codes correcteurs d'erreurs peuvent être résolus en multipliant les signaux lumineux, selon des chercheurs de l'Université de Cambridge et de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo en Russie.

Dans un article publié dans la revue Lettres d'examen physique , ils proposent un nouveau type de calcul qui pourrait révolutionner le calcul analogique en réduisant considérablement le nombre de signaux lumineux nécessaires tout en simplifiant la recherche des meilleures solutions mathématiques, permettant des ordinateurs optiques ultra-rapides.

Le calcul optique ou photonique utilise des photons produits par des lasers ou des diodes pour le calcul, contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des électrons. Étant donné que les photons sont essentiellement sans masse et peuvent voyager plus vite que les électrons, un ordinateur optique serait ultra-rapide, économe en énergie et capable de traiter l'information simultanément à travers plusieurs canaux optiques temporels ou spatiaux.

L'élément de calcul dans un calculateur optique - une alternative aux uns et zéros d'un calculateur numérique - est représenté par la phase continue du signal lumineux, et le calcul est normalement réalisé en ajoutant deux ondes lumineuses provenant de deux sources différentes, puis en projetant le résultat sur les états « 0 » ou « 1 ».

Cependant, la vraie vie présente des problèmes hautement non linéaires, où plusieurs inconnues changent simultanément les valeurs d'autres inconnues tout en interagissant de manière multiplicative. Dans ce cas, l'approche traditionnelle de l'informatique optique qui combine les ondes lumineuses de manière linéaire échoue.

Maintenant, La professeure Natalia Berloff du Département de mathématiques appliquées et de physique théorique de Cambridge et Ph.D. L'étudiant Nikita Stroev de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo a découvert que les systèmes optiques peuvent combiner la lumière en multipliant les fonctions d'onde décrivant les ondes lumineuses au lieu de les ajouter et peuvent représenter un type différent de connexions entre les ondes lumineuses.

Ils ont illustré ce phénomène avec des quasi-particules appelées polaritons - qui sont mi-lumière et mi-matière - tout en étendant l'idée à une classe plus large de systèmes optiques tels que les impulsions lumineuses dans une fibre. De minuscules impulsions ou gouttes de cohérence, des polaritons ultrarapides peuvent être créés dans l'espace et se chevaucher de manière non linéaire, en raison de la composante matière des polaritons.

"Nous avons trouvé que l'ingrédient clé est la façon dont vous couplez les légumineuses les unes avec les autres, " a déclaré Stroev. " Si vous obtenez le bon couplage et l'intensité lumineuse, la lumière se multiplie, affectant les phases des impulsions individuelles, donner la réponse au problème. Cela permet d'utiliser la lumière pour résoudre des problèmes non linéaires."

La multiplication des fonctions d'onde pour déterminer la phase du signal lumineux dans chaque élément de ces systèmes optiques provient de la non-linéarité qui se produit naturellement ou est introduite extérieurement dans le système.

"Ce qui a été une surprise, c'est qu'il n'est pas nécessaire de projeter les phases de lumière continue sur les états '0' et '1' nécessaires pour résoudre des problèmes en variables binaires, " dit Stroev. " Au lieu de cela, le système tend à provoquer ces états au terme de sa recherche de la configuration d'énergie minimale. C'est la propriété qui vient de la multiplication des signaux lumineux. Au contraire, les machines optiques précédentes nécessitent une excitation résonnante qui fixe les phases à des valeurs binaires de l'extérieur."

Les auteurs ont également suggéré et mis en œuvre un moyen de guider les trajectoires du système vers la solution en modifiant temporairement les forces de couplage des signaux.

"Nous devrions commencer à identifier différentes classes de problèmes qui peuvent être résolus directement par un processeur physique dédié, " a déclaré Berloff. " Les problèmes d'optimisation binaire d'ordre supérieur sont une de ces classes, et les systèmes optiques peuvent être rendus très efficaces pour les résoudre."

Il reste encore de nombreux défis à relever avant que l'informatique optique puisse démontrer sa supériorité dans la résolution de problèmes difficiles par rapport aux calculateurs électroniques modernes :réduction du bruit, correction des erreurs, évolutivité améliorée, guider le système vers la vraie meilleure solution sont parmi eux.

« Modifier notre cadre pour traiter directement différents types de problèmes peut rapprocher les machines informatiques optiques de la résolution de problèmes du monde réel qui ne peuvent pas être résolus par les ordinateurs classiques, " dit Berloff.