Создан компьютер на световых импульсах для решения невыполнимых задач

Исследователи из Университета Куинс разработали уникальный компьютер, который использует свет вместо обычных электронных схем для решения задач, ранее считавшихся практически неразрешимыми. Результаты опубликованы в журнале Nature.

На протяжении десятилетий считалось, что для решения сложных проблем нужно создавать всё более мощные компьютеры. Однако многие задачи, от создания новых лекарств до взлома криптографических кодов, не ограничиваются скоростью процессора. Они связаны с огромным количеством возможных вариантов. Даже самые быстрые суперкомпьютеры не успевают проверить все комбинации.

Как свет решает сложные задачи

Такие задачи называются задачами оптимизации. Пример — планирование маршрутов доставки: с ростом числа остановок количество возможных комбинаций растет экспоненциально.

«При пяти остановках есть 12 вариантов маршрута. При 10 — 180 000. При 20 — более 60 миллионов миллиардов. А при 50 — проверка всех вариантов займет больше времени, чем возраст Вселенной», — поясняет Бхавин Шастри, соавтор исследования.

Для обхода этого ограничения ученые обратились к старой физической идее — модели Изинга. В ней сложная задача представляется как система крошечных магнитов, называемых спинами, которые могут быть направлены вверх или вниз. Система стремится к состоянию с наименьшей энергией, которое соответствует оптимальному решению задачи.

В новом устройстве спины заменили световыми импульсами. Каждый импульс представляет собой наличие или отсутствие света. Они циркулируют по замкнутому контуру из стандартных лазеров, оптических кабелей и модуляторов — компонентов, которые уже применяются в интернете. Взаимодействуя, импульсы постепенно формируют стабильную схему, которая кодирует оптимальное решение. По словам авторов, это похоже на группу людей, быстро обменивающихся мнениями, пока не достигнут согласия.

Свет движется крайне быстро, позволяя выполнять миллиарды операций в секунду, а система работает при обычной комнатной температуре, что снижает энергопотребление и упрощает эксплуатацию.

Реальные возможности и масштаб

Используя всего пять компонентов, ученые смогли создавать полностью связанные цепи с 256 спинами и более 41 000 спинов в разреженных сетях. Система оставалась стабильной несколько часов, что позволяет решать задачи с десятками тысяч переменных. По словам исследователей, это превосходит другие оптические компьютеры Изинга, которые дорогостоящи и часто нестабильны.

Эффективная оптимизация важна для медицины, криптографии, логистики, энергетики и финансов. Машина, способная решать такие задачи без экстремального охлаждения или огромного расхода энергии, может изменить подход к сложным вычислениям.

Ученые подчеркивают, что это устройство не заменяет обычные или квантовые компьютеры. Оно узкоспециализировано на оптимизации и не предназначено для универсальных вычислений. В дальнейшем команда планирует масштабировать систему, повысить ее энергоэффективность и протестировать в реальных промышленных задачах.

«Мы создали программируемую и стабильную машину, которая работает при комнатной температуре и использует свет для поиска оптимальных решений», — отмечают авторы.

Они уверены, что такой подход может открыть новую эру вычислительной техники, где физические процессы используются для ускорения сложнейших расчетов.