Optischer Computer

Grundidee und Bedeutung

Optische beziehungsweise photonische Computer sind Computer oder Rechenwerke, die Daten vollständig oder teilweise mit optischen Elementen statt mit elektronischen Komponenten verarbeiten. Als Informationsträger dienen Photonen im sichtbaren Licht oder in der Infrarotstrahlung, die von Lasern oder Leuchtdioden ausgesendet werden. Verwendet werden optoelektronische Elemente oder passive, nichtlineare optische Elemente.

Photonen bieten laut Artikel eine höhere Bandbreite und eine zehnmal höhere Geschwindigkeit als die in herkömmlichen Computern verwendeten Elektronen. Viele Forschungsprojekte wollen deshalb elektronische Komponenten durch optische Entsprechungen ersetzen. Werden optische Bauteile in gewöhnliche Computer eingebaut, entstehen optisch-elektronische Hybridsysteme. Bei optoelektronischen Komponenten gehen jedoch 30 % der Energie durch die Umwandlung elektrischer Energie in Photonen und zurück verloren; außerdem verlangsamt diese Umwandlung die Nachrichtenübertragung. Rein optische Computer benötigen diese optisch-elektrisch-optische Umwandlung, kurz OEO, nicht und können dadurch weniger Strom verbrauchen.

Aufbau eines optischen Digitalrechners

Ein binärer optischer Computer verarbeitet Daten mit zwei logischen Zuständen. Dafür benötigt er drei Grundbestandteile:

• einen optischen Prozessor,
• eine optische Datenübertragung, beispielsweise über Glasfaserkabel,
• einen optischen Datenspeicher, etwa durch Zwischenspeicherung in Schallwellen oder Langzeitspeicherung in Siliciumdioxid.

Das elektronische Grundbauteil heutiger Computer ist der Transistor. Sein optisches Gegenstück wird mithilfe von Materialien mit einem nichtlinearen Brechungsindex hergestellt. Bei solchen Materialien beeinflusst die Intensität des einfallenden Lichts, wie viel Licht hindurchgelassen wird. Das ähnelt dem Leitungsverhalten eines bipolaren Transistors. Nichtlineare optische Kristalle ermöglichen es somit, einen Lichtstrahl durch einen anderen zu steuern. Aus optischen Transistoren lassen sich optische Logikgatter und daraus größere Bestandteile eines Prozessors, also einer CPU, zusammensetzen.

Verarbeitungsprinzipien und photonische Logik

Bei der optoelektronischen Datenverarbeitung werden optische Verbindungselemente und/oder Verarbeitungseinheiten in elektronische Systeme integriert. Das Licht transportiert die Informationen, während die logischen Schaltvorgänge elektronisch gesteuert werden. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Verteilung des Taktsignals und kann den Taktversatz zwischen verschiedenen Teilen des Systems minimieren.

Bei der rein optischen Datenverarbeitung übernehmen vor allem passive optische Elemente die Verarbeitung. Licht trägt nicht nur die Informationen: Steuer-Lichtstrahlen verändern auch den Brechungsindex nichtlinearer optischer Stoffe und lösen dadurch Schaltvorgänge aus. Die Bauteile verhalten sich ähnlich wie elektronische Transistoren.

Photonische Logik nutzt Photonen in den Logikgattern NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR und XNOR. Geschaltet wird durch nichtlineare optische Effekte, wenn mindestens zwei Signale zusammentreffen. Resonatoren sind dabei nützlich: Durch konstruktive Interferenz bauen sie Energie auf und verstärken so die nichtlinearen Effekte. Untersucht wird außerdem photonische Logik auf molekularer Ebene mit photolumineszierenden Chemikalien. Witlicki et al. demonstrierten logische Operationen mit Molekülen und oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS).

Einsatzbereiche, Vorteile und Grenzen

Optische Verbindungen können Baugruppen miteinander verbinden, beispielsweise Computer mit Computern. Sie kommen außerdem zwischen Leiterplatten, zwischen Bauteilen einer Leiterplatte wie CPU und Arbeitsspeicher sowie innerhalb integrierter Schaltkreise infrage. Verbindungen von Baugruppen und Leiterplatten werden bereits eingesetzt; optische Verbindungen von und innerhalb integrierter Schaltkreise befinden sich noch in der Entwicklung.

Als Vorteile nennt der Artikel die nahezu verlustfreie Übertragung über lange Strecken, eine etwa zehnmal höhere Übertragungsgeschwindigkeit als bei elektronischen Verbindungen, eine hohe Bandbreite etwa durch Wellenlängenmultiplex sowie höhere Schaltgeschwindigkeiten als bei gängigen Transistoren. Optische Freiraumverbindungen ermöglichen außerdem direkte und dreidimensionale Verbindungen. Anwendungsspezifische Systeme sind beispielsweise Synthetic Aperture Radar (SAR) und optische Korrelatoren. Korrelatoren können Objekte erkennen und verfolgen sowie zeitabhängige serielle optische Daten klassifizieren.

Nachteilig sind der größere Herstellungs- und Integrationsaufwand und damit höhere Produktionskosten. Umstritten ist, ob optische Computer bei Geschwindigkeit, Stromverbrauch, Kosten und Größe mit elektronischen Halbleitercomputern konkurrieren können. Kritiker verweisen auf Anforderungen realer Logiksysteme wie Wiederherstellung auf Logikebene, Kaskadierbarkeit, Fan-Out und Eingangs-Ausgangs-Isolierung. Elektronische Transistoren erfüllen diese Anforderungen derzeit kostengünstig, schnell und mit geringer Stromaufnahme. Für einen Einsatz außerhalb weniger Nischen wären daher große Fortschritte bei nichtlinearen optischen Bauelementen oder grundsätzlich veränderte Formen der Datenverarbeitung erforderlich.

Kommerzielle Entwicklungen

Das Stuttgarter Start-up Q.Ant bringt unter der Bezeichnung „Native Processing Server“ einen Coprozessor für Anwendungen der künstlichen Intelligenz auf den Markt. Nach Angaben des Unternehmens soll dieser gegenüber bestehenden Systemen eine 30-fache Energieeffizienz und eine bis zu 50-fache Leistungssteigerung erreichen; es handelt sich dabei um Herstellerangaben. Xanadu Quantum Technologies aus Kanada und PsiQuantum aus Kalifornien wollen ebenfalls demnächst optische Prozessoren anbieten, die für die Massenfertigung geeignet sind.