ऑप्टिकल कंप्यूटिंग

ऑप्टिकल कम्प्यूटिंग फोटोनिक कंप्यूटिंग के लिए डाटा प्रसंस्करण के लिए लेज़र या असंगत स्रोतों द्वारा उत्पादित प्रकाश तरंगों का उपयोग करता है। दशकों से फोटॉनों ने परंपरागत कंप्यूटरों प्रकाशित तंतु में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रॉनों की तुलना में उच्च बैंड चौड़ाई (संकेत प्रोसेसिंग) को सक्षम करने की प्रतिज्ञा दिखाया है।

अधिकांश अनुसंधान परियोजनाएं वर्तमान कंप्यूटर घटकों को ऑप्टिकल समकक्षों के साथ बदलने पर ध्यान केंद्रित करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप ऑप्टिकल डिजिटल कम्प्यूटर प्रणाली द्विआधारी डेटा को संसाधित करता है। यह दृष्टिकोण व्यावसायिक ऑप्टिकल कंप्यूटिंग के लिए सर्वोत्तम अल्पकालिक संभावनाओं की प्रस्तुत करता प्रतीत होता है, क्योंकि ऑप्टिकल-इलेक्ट्रॉनिक हाइब्रिड का उत्पादन करने के लिए ऑप्टिकल घटकों को पारंपरिक कंप्यूटरों में स्वीकृत किया जा सकता है। चूंकि, ऑप्टो इलेक्ट्रॉनिक उपकरण अपनी ऊर्जा का 30% उपभोग करते हैं, इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा को फोटॉन और वापस में परिवर्तित करते हैं, यह रूपांतरण संदेशों के प्रसारण को भी धीमा कर देता है। सभी-ऑप्टिकल कंप्यूटर ऑप्टिकल-इलेक्ट्रिकल-ऑप्टिकल (ओईओ) रूपांतरण की आवश्यकता को समाप्त करते हैं, इस प्रकार बिजली की खपत को कम करते हैं। अनुप्रयोग-विशिष्ट उपकरण, जैसे कृत्रिम झिरीदार रडार (एसएआर) और ऑप्टिकल सहसंबंधी, ऑप्टिकल कंप्यूटिंग के सिद्धांतों का उपयोग करने के लिए रचना किए गए हैं। सहसंबंधकों का उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण के लिए वस्तुओं का पता लगाने और उन्हें ट्रैक करने के लिए और आनुक्रमिक समय-डोमेन ऑप्टिकल डेटा को वर्गीकृत करने के लिए हैं।

द्विआधारी डिजिटल कंप्यूटर के लिए ऑप्टिकल घटक
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटरों का मूलभूत निर्माण खंड ट्रांजिस्टर है। इलेक्ट्रॉनिक घटकों को ऑप्टिकल वाले से बदलने के लिए समतुल्य ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है। यह अपवर्तक सूचकांक अरैखिक अपवर्तक सूचकांक वाली सामग्रियों का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। विशेष रूप से सामग्री उपस्तिथ है जहां आने वाली रोशनी की तीव्रता द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर की वर्तमान प्रतिक्रिया के समान सामग्री के माध्यम से प्रेषित प्रकाश की तीव्रता को प्रभावित करती है। ऐसा ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर ऑप्टिकल तर्क द्वार बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है, जो बदले में कंप्यूटर की सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (सीपीयू) के उच्च स्तरीय घटकों में इकट्ठे होते हैं। ये अरेखीय ऑप्टिकल क्रिस्टल होंगे जिनका उपयोग अन्य प्रकाश पुंजों को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश पुंजों में हेरफेर करने के लिए किया जाता है।

किसी भी कंप्यूटिंग प्रणाली की प्रकार ऑप्टिकल कंप्यूटिंग प्रणाली को ठीक से कार्य करने के लिए तीन चीजों की आवश्यकता होती है। विद्युत घटकों को प्रतिस्थापित करने के लिए फोटॉनों से इलेक्ट्रॉनों में डेटा प्रारूप रूपांतरण की आवश्यकता होगी, जिससे प्रणाली धीमा हो जाएगा।
 * 1) ऑप्टिकल प्रक्रमक
 * 2) ऑप्टिकल डेटा स्थानांतरण, उदाहरण फाइबर ऑप्टिक केबल
 * 3) ऑप्टिकल भंडारण,

विवाद
ऑप्टिकल कंप्यूटर की भविष्य की क्षमताओं के बारे में शोधकर्ताओं के बीच कुछ मतभेद हैं, गति, बिजली की खपत, लागत और आकार के स्थितियों में वे सेमीकंडक्टर-आधारित इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटरों के साथ प्रतिस्पर्धा करने में सक्षम हो सकते हैं या नहीं, यह खुला प्रश्न है। आलोचक ध्यान दें वास्तविक-विश्व तर्क प्रणालियों को तर्क-स्तर की बहाली, प्रपाटता, प्रशंसक बाहर और इनपुट-आउटपुट पृथक्रकरण की आवश्यकता होती है। जो सभी वर्तमान में कम लागत, कम शक्ति और उच्च गति पर इलेक्ट्रॉनिक ट्रांजिस्टर द्वारा प्रदान किए जाते हैं। ऑप्टिकल तर्क के लिए कुछ आला अनुप्रयोगों से परे प्रतिस्पर्धी होने के लिए, अरैखिक ऑप्टिकल उपकरण प्रौद्योगिकी में प्रमुख सफलताओं और संभवतः कंप्यूटिंग प्रकृति में बदलाव की आवश्यकता होगी।

गलत धारणाएं, चुनौतियां और संभावनाएं
ऑप्टिकल कंप्यूटिंग के लिए महत्वपूर्ण चुनौती यह है कि गणना अरैखिक प्रक्रिया है जिसमें कई संकेतों को परस्पर क्रिया करनी चाहिए। प्रकाश, जो विद्युत चुम्बकीय तरंग है, केवल सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति में अन्य विद्युत चुम्बकीय तरंग के साथ बातचीत कर सकता है। पारंपरिक कंप्यूटर में इलेक्ट्रॉनिक संकेतों की तुलना में विद्युत चुम्बकीय तरंगों जैसे प्रकाश के लिए इस परस्पर क्रिया की शक्ति बहुत कमजोर है। इसके परिणामस्वरूप ऑप्टिकल कंप्यूटर के लिए प्रसंस्करण तत्वों में ट्रांजिस्टर का उपयोग करने वाले पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर की तुलना में अधिक शक्ति और बड़े आयामों की आवश्यकता होती है।

भ्रांति यह है कि चूंकि प्रकाश इलेक्ट्रॉनों के बहाव वेग की तुलना में बहुत तेजी से यात्रा कर सकता है और टेराहर्ट्ज़ (इकाई) में मापी गई आवृत्तियों परऔर ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर अत्यधिक उच्च आवृत्तियों में सक्षम होना चाहिए। चूंकि, किसी भी विद्युत चुम्बकीय तरंग को बैंडचौड़ाई सीमित नाड़ी का पालन करना चाहिए और इसलिए जिस दर पर ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर संकेत का जवाब दे सकता है। वह अभी भी इसके वर्णक्रमीय बैंडचौड़ाई द्वारा सीमित है। फाइबर-ऑप्टिक संचार में फैलाव ऑप्टिक्स जैसी व्यावहारिक सीमाएं अधिकांशतः तरंग दैर्ध्य विभाजन बहुसंकेतन को 10 गीगाहर्ट्ज़ के बैंडविथ तक सीमित करती हैं, जो कई सिलिकॉन ट्रांजिस्टर से थोड़ा ही श्रेष्ठतर है। इलेक्ट्रॉनिक ट्रांजिस्टर की तुलना में नाटकीय रूप से तेज़ संचालन प्राप्त करने के लिए अल्ट्राशॉर्ट पल्स को अत्यधिक फैलाने वाले तंरग निर्देश के नीचे संचारित करने के व्यावहारिक विधियों की आवश्यकता होगी।

फोटोनिक तर्क
फोटोनिक तर्क गेट्स (एनओटी, एएनडी , ओआर , एनएएनडी , एनओआर, एक्सओआर, एक्सएनओआर) में फोटॉन प्रकाश का उपयोग है। जब दो या दो से अधिक संकेत संयुक्त होते हैं तो अरैखिक प्रकाशिकी का उपयोग करके स्विचिंग प्राप्त की जाती है।

ऑप्टिकल गुहा विशेष रूप से फोटोनिक तर्क में उपयोगी होते हैं, क्योंकि वे रचनात्मक हस्तक्षेप से ऊर्जा के निर्माण की अनुमति देते हैं, इस प्रकार ऑप्टिकल अरैखिक प्रभाव को बढ़ाते हैं।

जिन अन्य दृष्टिकोणों की जांच की गई है उनमें फोटोलुमिनेसेंस रसायनों का उपयोग करते हुए नैनो तकनीक में फोटोनिक तर्क सम्मलित हैं। प्रदर्शन में, विट्लिकी एट अल। अणुओं और सतह संवर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके तार्किक संचालन किया।

समय देरी ऑप्टिकल कंप्यूटिंग
मूल विचार उपयोगी संगणना करने के लिए प्रकाश किसी अन्य संकेत को विलंबित करना है।{{cite conference|last=Oltean|first=Mihai|title= हैमिल्टनियन पथ समस्या को हल करने के लिए एक प्रकाश-आधारित उपकरण|conference=Unconventional Computing| pages= 217–227| publisher= Springer LNCS 4135|doi=10.1007/11839132_18|date=2006|arxiv=0708.1496}।

प्रकाश के 2 मूल गुण हैं जो वास्तव में इस दृष्टिकोण में उपयोग किए जाते हैं:


 * प्रकाश को एक निश्चित लंबाई के ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से पारित करके विलंबित किया जा सकता है।
 * प्रकाश को कई (उप) किरणों में विभाजित किया जा सकता है। यह संपत्ति इसलिए भी आवश्यक है क्योंकि हम एक ही समय में कई समाधानों का मूल्यांकन कर सकते हैं।

समय-देरी की समस्या को हल करते समय निम्नलिखित चरणों का पालन किया जाना चाहिए:


 * पहला कदम ऑप्टिकल केबल और स्प्लिटर्स से बनी ग्राफ जैसी संरचना बनाना है। प्रत्येक ग्राफ़ में एक प्रारंभ नोड और एक गंतव्य नोड होता है।
 * प्रकाश प्रारंभ नोड के माध्यम से प्रवेश करता है और गंतव्य तक पहुंचने तक ग्राफ़ को पार करता है। आर्क्स से गुजरते समय और नोड्स के अंदर विभाजित होने पर इसमें देरी होती है।
 * किसी चाप या किसी नोड से गुजरते समय प्रकाश को चिह्नित किया जाता है ताकि हम उस तथ्य को गंतव्य नोड पर आसानी से पहचान सकें।
 * डेस्टिनेशन नोड पर हम एक सिग्नल (सिग्नल की तीव्रता में उतार-चढ़ाव) की प्रतीक्षा करेंगे जो समय में एक विशेष क्षण (ओं) पर आता है। यदि उस समय कोई संकेत नहीं आता है, तो इसका मतलब है कि हमारे पास हमारी समस्या का कोई समाधान नहीं है। वरना समस्या का समाधान है। उतार-चढ़ाव एक फोटोडिटेक्टर और एक आस्टसीलस्कप के साथ पढ़ा जा सकता है।

इस तरह से हमला करने वाली पहली समस्या हैमिल्टनियन पथ की समस्या थी।

सबसे सरल एक उपसमुच्चय योग समस्या है। 4 नंबर {a1, a2, a3, a4} के साथ उदाहरण को हल करने वाला ऑप्टिकल उपकरण नीचे दर्शाया गया है।

प्रकाश प्रारंभिक नोड में प्रवेश करेगा। इसे छोटी तीव्रता की 2 (उप) किरणों में विभाजित किया जाएगा। ये 2 किरणें क्षण a1 और 0 पर दूसरे नोड में पहुंचेंगी। उनमें से प्रत्येक को 2 उप-किरणों में विभाजित किया जाएगा जो तीसरे नोड में क्षण 0, a1, a2 और a1 + a2 पर पहुंचेगा। ये समुच्चय {a1, a2} के सभी उपसमुच्चयों का प्रतिनिधित्व करते हैं। हम 4 अलग-अलग क्षणों से अधिक नहीं पर संकेत की तीव्रता में उतार-चढ़ाव की उम्मीद करते हैं। गंतव्य नोड में हम 16 अलग-अलग क्षणों से अधिक उतार-चढ़ाव की उम्मीद करते हैं जो दिए गए सभी सबसेट हैं। यदि हमारे पास लक्ष्य क्षण बी में उतार-चढ़ाव है, तो इसका मतलब है कि हमारे पास समस्या का समाधान है, अन्यथा कोई उपसमुच्चय नहीं है जिसका तत्वों का योग बी के बराबर है। व्यावहारिक कार्यान्वयन के लिए हमारे पास शून्य-लंबाई वाले केबल नहीं हो सकते हैं, इस प्रकार सभी केबल हैं छोटे सभी के लिए निश्चित मान k के साथ बढ़ा। इस स्थितियों में समाधान पल बी + एन * के पर अपेक्षित है।

तरंग दैर्ध्य आधारित कंप्यूटिंग
तरंग दैर्ध्य आधारित कंप्यूटिंग बूलियन संतुष्टि समस्या को हल करने के लिए उपयोग किया जा सकता है 3-संतुष्टि, 3-एसएटी समस्या n चर, एम खंड और प्रति खंड 3 से अधिक चर के साथ नहीं। प्रकाश किरण में समाहित प्रत्येक तरंग दैर्ध्य को n चरों के लिए संभावित मान-कार्य माना जाता है। ऑप्टिकल उपकरण में प्रिज्म होते हैं और दर्पण का उपयोग उचित तरंग दैर्ध्य में भेदभाव करने के लिए किया जाता है जो सूत्र को संतुष्ट करता है।

पारदर्शिता पर ज़ेरॉक्सिंग द्वारा कम्प्यूटिंग
यह दृष्टिकोण संगणना करने के लिए ज़ेरॉक्स मशीन और पारदर्शी चादर का उपयोग करता है। बूलियन संतुष्टि समस्या 3-संतुष्टि | एन चर, एम खंड और अधिकतम चर के प्रति खंड के साथ K-एसएटी समस्या को 3 चरणों में हल किया गया है।
 * सबसे पहले n चर के सभी 2^n संभावित कार्य को n ज़ेरॉक्स कॉपी करके उत्पन्न किया गया है।
 * सत्य तालिका की अधिकतम 2k प्रतियों का उपयोग करते हुए, प्रत्येक खंड का मूल्यांकन सत्य तालिका की प्रत्येक पंक्ति में साथ किया जाता है।
 * समाधान सभी एम खंड की ओवरलैप्ड पारदर्शिता की एकाकी कॉपी संचालन करके प्राप्त किया जाता है।

ऑप्टिकल बीम को मास्क करना
ट्रैवलिंग सेल्समैन की समस्या को शेक्ड एट अल द्वारा समाधान किया गया है। ऑप्टिकल दृष्टिकोण का उपयोग करके। सभी संभावित टीएसपी पथों को द्विआधारी मैट्रिक्स में उत्पन्न और संग्रहीत किया गया है जिसे शहरों के बीच की दूरी वाले ग्रे-स्केल वेक्टर से गुणा किया गया था। गुणन ऑप्टिकल सहसंयोजक का उपयोग करके वैकल्पिक रूप से किया जाता है।

ऑप्टिकल फूरियर सह-प्रक्रमक
कई संगणनाओं, विशेष रूप से वैज्ञानिक अनुप्रयोगों में, 2डी असतत फूरियर रूपांतरण (डीएफटी) के लगातार उपयोग की आवश्यकता होती है - उदाहरण के लिए तरंगों के प्रसार गर्मी के हस्तांतरण का वर्णन करने वाले अंतर समीकरणों को हल करने में किया जाता है। चूंकि, आधुनिक जीपीयू प्रौद्योगिकियां सामान्यतः बड़े 2डी डीएफटी की उच्च गति गणना को सक्षम करती हैं, ऐसी तकनीकें विकसित की गई हैं जो प्राकृतिक फूरियर ऑप्टिक्स फूरियर रूपांतरण लेंसों की संपत्ति का उपयोग करके वैकल्पिक रूप से निरंतर फूरियर रूपांतरण कर सकती हैं। इनपुट तरल स्फ़टिक स्थानिक प्रकाश न्यूनाधिक का उपयोग करके एन्कोड किया गया है और परिणाम पारंपरिक सीएमओएस, सीसीडी प्रतिबिंब संवेदक का उपयोग करके मापा जाता है। इस प्रकार के ऑप्टिकल आर्किटेक्चर ऑप्टिकल प्रसार की स्वाभाविक रूप से अत्यधिक परस्पर प्रकृति के कारण कम्प्यूटेशनल जटिलता के श्रेष्ठतर स्केलिंग को प्रस्तुत कर सकते हैं और इसका उपयोग 2 डी गर्मी समीकरणों को हल करने के लिए किया गया है।

आइसिंग मशीनें
भौतिक कंप्यूटर जिनका रचना सैद्धांतिक आइसिंग मॉडल से प्रेरित था, आइसिंग मशीन कहलाते हैं। स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में योशिहिसा यामामोटो (एस समर्थन क्षेत्र सेंट) वैज्ञानिक की प्रयोगशाला ने फोटॉन का उपयोग करके आइसिंग मशीन बनाने का बीड़ा उठाया है। प्रारंभ में यामामोटो और उनके सहयोगियों ने लेजर, दर्पण और अन्य ऑप्टिकल घटकों का उपयोग करके आइसिंग मशीन का निर्माण किया जो सामान्यतः ऑप्टिकल टेबल पर पाया जाता है। बाद में हेवलेट पैकर्ड प्रयोगशाला की टीम ने फोटोनिक चिप रचना उपकरण विकसित किए और उस ल चिप पर 1,052 ऑप्टिकल घटकों को स्वीकृत करते हुए ल चिप पर आइसिंग मशीन बनाने के लिए उनका उपयोग किया।

यह भी देखें

 * रैखिक ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटिंग
 * अन्‍योन्‍याश्रित करना
 * ऑप्टिकल तंत्रिका नेटवर्क
 * फोटोनिक स्वीकृत सर्किट
 * फोटोनिक अणु
 * फोटोनिक ट्रांजिस्टर
 * सिलिकॉन फोटोनिक्स
 * अपरंपरागत कंप्यूटिंग
 * अपरंपरागत कंप्यूटिंग

अग्रिम पठन

 * D. Goswami, "Optical Computing", Resonance, June 2003; ibid July 2003. Web Archive of www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html
 * K.-H. Brenner, Alan Huang: "Logic and architectures for digital optical computers (A)", J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
 * NASA scientists working to improve optical computing technology, 2000
 * Optical solutions for NP-complete problems
 * Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist
 * D. Goswami, "Optical Computing", Resonance, June 2003; ibid July 2003. Web Archive of www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html
 * K.-H. Brenner, Alan Huang: "Logic and architectures for digital optical computers (A)", J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
 * NASA scientists working to improve optical computing technology, 2000
 * Optical solutions for NP-complete problems
 * Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist
 * K.-H. Brenner, Alan Huang: "Logic and architectures for digital optical computers (A)", J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
 * NASA scientists working to improve optical computing technology, 2000
 * Optical solutions for NP-complete problems
 * Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist
 * NASA scientists working to improve optical computing technology, 2000
 * Optical solutions for NP-complete problems
 * Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist
 * Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist
 * Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist
 * Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist
 * Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist

बाहरी संबंध

 * This Laser Trick's a Quantum Leap
 * Photonics Startup Pegs Q2'06 Production Date
 * Stopping light in quantum leap
 * High Bandwidth Optical Interconnects