Au-delà du binaire : la révolution de l’informatique lumineuse

Art conceptuel de l'informatique photonique optique

L’informatique d’état collective, en exploitant le problème d’Ising et des techniques basées sur la lumière, offre une nouvelle approche pour surmonter les limitations de l’informatique traditionnelle.

Des chercheurs développent un ordinateur à partir d’un ensemble de VCSELs avec rétroaction optique.

Dans notre ère axée sur les données, résoudre efficacement des problèmes complexes est crucial. Cependant, les ordinateurs traditionnels ont souvent du mal à accomplir cette tâche lorsqu’ils traitent un grand nombre de variables interactives, conduisant à des inefficacités telles que le goulot d’étranglement de von Neumann. Un nouveau type d’informatique d’état collective est apparu pour résoudre ce problème en cartographiant ces problèmes d’optimisation sur quelque chose appelé le problème d’Ising en magnétisme.

Comprendre le problème d’Ising

Voici comment cela fonctionne : imaginez représenter un problème sous forme de graphe, où les nœuds sont reliés par des arêtes. Chaque nœud a deux états, soit +1 soit -1, représentant les solutions potentielles. Le but est de trouver la configuration qui minimise l’énergie totale du système, basée sur un concept appelé un Hamiltonien.

Ordinateur Ising 4 bits

Dans un ordinateur Ising (illustré ici avec 4 bits), les variables évoluent toutes vers une solution en parallèle. Crédit : Les auteurs doi: 10.1117/1.JOM.4.1.014501

Exploiter des techniques basées sur la lumière

Pour résoudre efficacement l’Hamiltonien d’Ising, les chercheurs explorent des systèmes physiques capables de surpasser les ordinateurs traditionnels. Une approche prometteuse consiste à utiliser des techniques basées sur la lumière, où les informations sont codées dans des propriétés comme l’état de polarisation, la phase ou l’amplitude. En exploitant des effets tels que l’interférence et la rétroaction optique, ces systèmes peuvent rapidement trouver la solution correcte.

Dans une étude publiée dans le Journal of Optical Microsystems, des chercheurs de l’Université nationale de Singapour et de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche ont examiné l’utilisation d’un système de lasers à surface émettrice verticale de cavité (VCSELs) pour résoudre des problèmes d’Ising. Dans cette configuration, les informations sont codées dans les états de polarisation linéaire des VCSELs, chaque état correspondant à une solution potentielle. Les lasers sont connectés les uns aux autres, et les interactions entre eux codent la structure du problème.

Défis et orientations futures

Les chercheurs ont testé leur système sur des problèmes Ising modestes de 2, 3 et 4 bits et ont obtenu des résultats prometteurs. Cependant, ils ont également identifié des défis, tels que le besoin d’une anisotropie minimale du lasing des VCSEL, qui peut être difficile à atteindre en pratique. Néanmoins, surmonter ces défis pourrait aboutir à une architecture d’ordinateur tout optique basée sur les VCSEL capable de résoudre des problèmes actuellement hors de portée des ordinateurs traditionnels.

Référence : “Codage de l’état de polarisation linéaire pour le calcul d’Ising avec des VCSELs à verrouillage par injection optique” par Brandon Loke, Zifeng Yuan, Soon Thor Lim, Aaron Danner, 28 décembre 2023, Journal of Optical Microsystems.
DOI: 10.1117/1.JOM.4.1.014501