Optischer Computer

Optische Computer sind Computer oder Rechenwerke, die vollständig oder teilweise mit optischen Elementen anstatt elektronischer Komponenten Daten verarbeiten. Hierbei kommen optoelektronische Elemente oder passive optische nicht-lineare Elemente zum Einsatz.

Ein optischer beziehungsweise photonischer Computer ist ein Gerät, das Photonen im sichtbaren Licht oder Infrarotstrahlung anstelle elektrischer Impulse nutzt.^[1] Die von Lasern oder Leuchtdioden emittierten Photonen werden zur Datenverarbeitung genutzt. Photonen haben eine höhere Bandbreite und eine zehnmal höhere Geschwindigkeit als die in herkömmlichen Computern verwendeten Elektronen (siehe Lichtwellenleiter).

Die meisten Forschungsprojekte konzentrieren sich darauf, die stromführende digitale Computerkomponenten durch optische Äquivalente zu ersetzen, was zu einem optischen digitalen Computersystem führt, das binäre Daten verarbeitet. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass optische Komponenten in herkömmliche Computer integriert werden können, um ein optisch-elektronisches Hybridsystem zu schaffen. Optoelektronische Komponenten verlieren jedoch 30 % ihrer Energie für die Umwandlung von elektrischer Energie in Photonen und zurück; diese Umwandlung verlangsamt auch die Übertragung von Nachrichten. Bei rein optischen Computern entfällt die Notwendigkeit der optisch-elektrisch-optischen (OEO) Umwandlung, was den Stromverbrauch senkt.^[2]

Anwendungsspezifische Geräte wie das Synthetic Aperture Radar (SAR) und optische Korrelatoren wurden entwickelt, um die Prinzipien der optischen Datenverarbeitung zu nutzen. Korrelatoren können beispielsweise zur Erkennung und Verfolgung von Objekten^[3] und zur Klassifizierung serieller optischer Daten in Abhängigkeit von der Zeit eingesetzt werden.^[4]

Der grundlegende Baustein moderner elektronischer Computer ist der Transistor. Um elektronische Bauteile durch optische zu ersetzen, ist ein entsprechender optischer Transistor erforderlich. Dies wird durch die Verwendung von Materialien mit einem nichtlinearen Brechungsindex erreicht. Insbesondere gibt es Materialien,^[5] bei denen die Intensität des einfallenden Lichts die Intensität des durch das Material durchgelassenen Lichts in ähnlicher Weise beeinflusst wie das Stromverhalten eines bipolaren Transistors. Ein solcher optischer Transistor^[6][7] kann zur Herstellung optischer Logikgatter verwendet werden,^[7] die wiederum zu den übergeordneten Komponenten des Prozessors (CPU) eines Computers zusammengesetzt werden. Dabei handelt es sich um nichtlineare optische Kristalle, mit denen Lichtstrahlen zur Steuerung anderer Lichtstrahlen manipuliert werden können.

Wie jedes binäre Computersystem benötigt auch ein optisches Rechensystem drei Voraussetzungen:

• einen optischen Prozessor
• optische Datenübertragung, z. B. über Glasfaserkabel
• optischen Datenspeicher, z. B. durch Zwischenspeichern in Schallwellen^[8] oder Langzeitspeichern in Siliciumdioxid^[9]

Der Einsatz optischer Systeme in der Rechentechnik bietet einige Vorteile gegenüber der konventionellen Elektronik:

• nahezu verlustfreie Übertragung über lange Strecken
• Hohe Übertragungsgeschwindigkeit (etwa zehnfache Geschwindigkeit elektronischer Verbindungen)
• Hohe Bandbreite (zum Beispiel durch Einsatz von Wellenlängenmultiplex)
• Höhere Schaltgeschwindigkeit als gängige Transistoren^[10]
• Optische Freiraumverbindungen ermöglichen direkte Verbindung und dreidimensionale Verbindungen

Dagegen ergibt der erhöhte Aufwand bei der Herstellung und Integration optischer Elemente in vorhandene Systeme höhere Produktionskosten.

Über die zukünftigen Leistungsfähigkeit optischer Computer herrscht Uneinigkeit; ob sie mit elektronischen Computern auf Halbleiterbasis in Bezug auf Geschwindigkeit, Stromverbrauch, Kosten und Größe konkurrieren können, ist eine offene Frage. Kritiker weisen darauf hin, dass reale Logiksysteme „Wiederherstellung auf Logikebene, Kaskadierbarkeit, Fan-Out und Eingangs-Ausgangs-Isolierung“ erfordern, die derzeit alle von elektronischen Transistoren zu niedrigen Kosten, geringer Stromaufnahme und hoher Geschwindigkeit bereitgestellt werden.^[11] Damit die optische Logik über einige wenige Nischenanwendungen hinaus wettbewerbsfähig ist, sind große Durchbrüche in der Technologie nichtlinearer optischer Bauelemente erforderlich bzw. geänderte Art der Datenverarbeitung selbst.^[12]

• Verbindung von Baugruppen, z. B. Computer mit Computer
• Verbindung von Leiterplatten, z. B. in Rechenwerken
• Verbindung von Bauteilen auf Leiterplatten, z. B. CPU mit Arbeitsspeicher
• Verbindungen in integrierten Schaltkreisen

Während die Verbindung von Baugruppen und Leiterplatten heute bereits Verwendung findet, sind Verbindungen von und in integrierten Schaltkreisen noch in der Entwicklung.

Es werden optische Verbindungselemente und/oder Verarbeitungseinheiten in elektronische Systeme integriert. Licht dient als Informationsträger, die logischen Schaltvorgänge werden elektronisch gesteuert. Diese Methode eignet sich besonders gut zur Verteilung des Taktes in einem System, was auch zu einer Minimierung des Taktversatzes führt.

Hier kommen vor allem passive optische Elemente zum Einsatz. Licht dient auch hier als Informationsträger, jedoch erfolgen die Schaltvorgänge durch Steuer-Lichtstrahlen, die den Brechungsindex von nichtlinearen optischen Stoffen ändern. Solche Bauteile weisen ähnliche Eigenschaften wie elektronische Transistoren auf.

Photonische Logik ist die Verwendung von Photonen in Logikgattern (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Die Umschaltung erfolgt durch nichtlineare optische Effekte, wenn zwei oder mehr Signale kombiniert werden.^[7]

Resonatoren sind in der photonischen Logik besonders nützlich, da sie einen Aufbau von Energie aus konstruktiver Interferenz ermöglichen und damit optische nichtlineare Effekte verstärken.

Weitere untersuchte Ansätze sind die photonische Logik auf molekularer Ebene unter Verwendung von photolumineszierenden Chemikalien. In einer Demonstration führten Witlicki et al. logische Operationen mit Molekülen und oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) durch.^[13]

• Fumio Inaba: Optische Computer. Springer Verlag, Heidelberg Berlin 1992, ISBN 3-662-01139-5 (328 S., eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche – japanisch: Hikari Konpyuta. Übersetzt von Peter Slowig, Erstausgabe: Tokio 1985). 

• Ben Schwan: Die Rückkehr der optischen Computer. In: heise online. 21. März 2018; abgerufen am 8. Februar 2022. 
• Kompakte, optische Datenübertragung. In: Karlsruher Institut für Technologie. Scinexx, 28. Juli 2015; abgerufen am 8. Februar 2022. 
• Leslie Mullen: Pushing the Limits of Computer Technology. In: NASA Science. 18. Mai 1999; abgerufen am 8. Februar 2022 (amerikanisches Englisch). 
• Optische Computer. Lexikon der Optik. In: Spektrum.de. Abgerufen am 8. Oktober 2022 
• Optische Computer. Lexikon der Physik. In: Spektrum.de. Abgerufen am 23. Mai 2024 
• Jürgen Köhler, Mukundan Thelakkat: Optische logische Schaltkreise auf der Basis photochromer Bausteine mittels Wellenleiter Strukturen. Abgerufen am 23. Mai 2024 

1. ↑ Optische Computer. In: Tech Target. April 2019, abgerufen am 8. Februar 2022. 
2. ↑ David D. Nolte: Mind at Light Speed: A New Kind of Intelligence. Simon & Schuster, 2001, ISBN 0-7432-0501-4, S. 34 (englisch, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
3. ↑ Dror G. Feitelson: Optical Computing: A Survey for Computer Scientists – Chapter 3: Optical Image and Signal Processing. MIT Press, Cambridge, Massachusetts 1988, ISBN 0-262-06112-0 (englisch). 
4. ↑ S. K. Kim, K. Goda, A. M. Fard, B. Jalali: Optical time-domain analog pattern correlator for high-speed real-time image recognition. In: Optics Letters. Vol. 36, Nr. 2, 2011, S. 220–222, doi:10.1364/ol.36.000220, PMID 21263506, bibcode:2011OptL...36..220K (semanticscholar.org). 
5. ↑ Encyclopedia of Laser Physics and Technology – nonlinear index, Kerr effect. In: RP Photonics Encyclopedia. Abgerufen am 8. Februar 2022 (englisch). 
6. ↑ K. Jain, G. W. Pratt, Jr.: Optical transistor. In: Applied Physics Letters. Vol. 28, Nr. 12, 1976, S. 719, doi:10.1063/1.88627, bibcode:1976ApPhL..28..719J (englisch). 
7. ↑ ^{a b c} Pratt Jr. George, Jain Kantilal: Optical transistors and logic circuits embodying the same. US Patent 4382660, 10. Mai 1983, abgerufen am 8. Oktober 2022 (amerikanisches Englisch). 
8. ↑ Simon Schomäcker: Optische Computerchips durch langsames Licht. In: Deutschlandfunk. Deutschlandradio, 4. August 2020, abgerufen am 8. Februar 2022. 
9. ↑ Ant Rowstron: Project Silica. In: Microsoft Research. 9. November 2019, abgerufen am 8. Oktober 2022 (amerikanisches Englisch). 
10. ↑ Nadja Podbregar: Optischer Transistor: Ein Photon reicht. Neuartiges Bauteil für die Optoelektronik schaltet bis zu 1.000-mal schneller. In: Scinexx. 21. September 2021, abgerufen am 8. Oktober 2022. 
11. ↑ Rodney S. Tucker: The role of optics in computing. In: Nature Photonics. Vol. 4, Nr. 7, 2010, S. 405, doi:10.1038/nphoton.2010.162, bibcode:2010NaPho...4..405T (englisch). 
12. ↑ Renju Rajan, Padmanabhan Ramesh Babu, Krishnamoorthy Senthilnathan: All-Optical Logic Gates Show Promise for Optical Computing. In: Photonics. Photonics Spectra, April 2018, abgerufen am 8. Oktober 2022 (englisch). 
13. ↑ Edward H. Witlicki, Carsten Johnsen, Stinne W. Hansen, Daniel W. Silverstein, Vincent J. Bottomley, Jan O. Jeppesen, Eric W. Wong, Lasse Jensen, Amar H. Flood: Molecular Logic Gates Using Surface-Enhanced Raman-Scattered Light. In: Journal of the American Chemical Society. Vol. 133, Nr. 19, 2011, S. 7288–7291, doi:10.1021/ja200992x, PMID 21510609 (englisch, figshare.com).