Che cos’è un computer ottico (o fotonico)?

Traduciamo in parte la voce da Wikipedia in inglese per meglio comprendere l’ancora futuristica tecnologia legata ai computer basati sulla luce, definiti anche computer ottici o computer fotonici, sul cui argomento abbiamo da poco pubblicato l’articolo Luce salvata per la prima volta in chip sotto forma di suono.

Che cos’è un computer ottico

I computer ottici utilizzano per elaborare fotoni prodotti da laser o diodi. Per decenni, i fotoni hanno promesso una larghezza di banda superiore a quella degli elettroni utilizzati nei computer convenzionali, tuttavia l’effettiva costruzione di un vero computer ottico è ancora lungi dal venire.

La maggior parte dei progetti di ricerca si concentra sulla sostituzione degli attuali componenti dei computer con equivalenti ottici, che si traducono in un sistema informatico ottico digitale che elabora dati binari. Questo approccio sembra offrire le migliori prospettive a breve termine per i computer ottici commerciali poiché i componenti ottici potrebbero essere integrati nei computer tradizionali per produrre un ibrido ottico-elettronico.
Tuttavia, i dispositivi optoelettronici perdono il 30% della loro energia convertendo l’energia elettronica in fotoni e viceversa; questa conversione rallenta anche la trasmissione dei messaggi. I computer completamente ottici eliminano la necessità di conversione ottica-elettrica-ottica, riducendo così la necessità di energia elettrica.

Dispositivi per specifiche applicazioni, come i radar ad apertura sintetica (SAR) e i correlatori ottici, sono stati progettati per utilizzare i principi dell’elaborazione ottica. I correlatori possono essere utilizzati, ad esempio, per rilevare e tenere traccia di oggetti.

Componenti ottici per computer digitali binari

Il componente fondamentale dei moderni computer elettronici è il transistor. Per sostituire i componenti elettronici con quelli ottici è necessario un transistor ottico equivalente. Ciò si ottiene utilizzando materiali con un indice di rifrazione non lineare. In particolare, i materiali esistono dove l’intensità della luce in ingresso influenza l’intensità della luce trasmessa attraverso il materiale in modo simile alla risposta di un transistor bipolare. Tale “transistor ottico” può essere utilizzato per creare porte logiche ottiche che a loro volta sono assemblate nei componenti di livello superiore della CPU del computer. Si tratta di cristalli ottici non lineari utilizzati per manipolare i fasci di luce per controllare altri fasci luminosi.

Controversie

Vi sono disaccordi tra i ricercatori sulle capacità future dei computer ottici: saranno in grado di competere con i computer elettronici basati su semiconduttori in termini di velocità, consumo energetico, costi e dimensioni?
I critici osservano che i sistemi logici reali richiedono “ripristino a livello logico, cascabilità, ventilazione e isolamento ingresso-uscita”, tutte caratteristiche attualmente fornite da transistor elettronici a basso costo, bassa potenza e alta velocità. Affinché la logica ottica sia competitiva al di là di poche applicazioni di nicchia, sarebbero necessarie importanti innovazioni nella tecnologia dei dispositivi ottici non lineari, o forse un cambiamento nella natura stessa del calcolo.

Concetti, sfide e prospettive errate

Una sfida significativa per l’avvento dei computer fotonici è rappresentata dall’elaborazione stessa: il calcolo è un processo non lineare in cui più segnali devono interagire. La luce, che è un’onda elettromagnetica, può interagire solo con un’altra onda elettromagnetica in presenza di elettroni in un materiale e la forza di questa interazione è molto più debole per le onde elettromagnetiche, come la luce, che per i segnali elettronici in un computer convenzionale. Ciò può comportare l’utilizzo di elementi di elaborazione per un computer ottico che richiedano una potenza e dimensioni maggiori rispetto a quelli di un computer elettronico convenzionale che utilizza transistor.

Un ulteriore errore di interpretazione è che, poiché la luce può viaggiare molto più velocemente della velocità di deriva degli elettroni, e poiché le frequenze ssono misurate in THz, i transistor ottici dovrebbero essere in grado di sopportare frequenze estremamente alte. Tuttavia, qualsiasi onda elettromagnetica deve rispettare il limite di trasformazione, e quindi la velocità alla quale un transistor ottico può rispondere ad un segnale è ancora limitata dalla sua larghezza di banda spettrale.
Tuttavia, nelle comunicazioni in fibra ottica, limiti pratici come quelli relativi alla dispersione spesso vincolano i canali a larghezze di banda delle decine di GHz, solo leggermente migliori di molti transistor al silicio. Per ottenere un funzionamento nettamente più rapido dei transistor elettronici sarebbe quindi necessario ricorrere a metodi pratici per la trasmissione di impulsi ultracorto attraverso guide d’onda altamente dispersive.

Fonti e approfondimenti

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