De onderzoeksgroep Applied Physics van de Vrije Universiteit Brussel heeft een nieuwe generatie optische computers ontwikkeld, zgn. Coherent Ising machines. Zo’n “coherent Ising machine” kan aanzienlijk sneller en energiezuiniger zijn dan de huidige conventionele digitale computer bij het oplossen van optimalisatieproblemen.
Optimalisatiealgoritmes zijn overal: ze berekenen het meest efficiënte vervoersplan van de treinen, de beste timing van slimme verkeerslichten of de snelste route tot onze bestemming op onze smartphone. Maar ze vergen zeer veel rekenkracht waarmee traditionele computer grote moeite hebben. Dit is de reden waarom verschillende onderzoeksinstituten en grote bedrijven als Google, IBM, HP of NTT op zoek zijn naar alternatieven voor de conventionele digitale computer om net dit soort problemen sneller op te lossen. De grootste kanshebbers als alternatief zijn vandaag kwantumcomputers en ‘coherent Ising machines’. Beide computers hebben gemeen dat ze, in tegenstelling tot digitale computers, niet alle mogelijkheden uitproberen om de optimale oplossing te vinden. Ze evolueren liever naar de meest waarschijnlijke oplossing, vergelijkbaar met de manier waarop water altijd naar het laagste punt in een vallei stroomt. Het belangrijkste verschil is dat optische computers op klassiek laserlicht werken, waar kwantumcomputers gebruik maken van de soms vreemde eigenschappen van de kwantumfysica.
Tot nu toe waren optische computers helaas heel groot, duur en moeilijk te bouwen, omdat ze gebruik maken van kilometerslange optische vezels en krachtige lasersystemen. Het team van Fabian Böhm, prof Guy Verschaffelt en prof Guy Van der Sande heeft deze machines sterk verkleind en vereenvoudigd tot een draagbaar systeem. In de toekomst kan het systeem zelfs verkleind worden tot slechts enkele millimeters groot. Zo worden deze ‘coherente Ising-machines’ voor het eerst goedkoop en praktisch genoeg voor commercieel gebruik.
Honderd keer sneller
Onderzoeksgroepen in Japan en in de VS hebben aangetoond dat de ‘coherent Ising-machines’ minstens honderd keer sneller kunnen zijn dan digitale computers. Ze slagen er in om vergelijkbare en zelfs betere prestaties voor te leggen dan kwantumcomputers terwijl ze goedkoper zijn. “Maar deze Ising-machines zijn in hun huidige vorm evenwel nog te ver verwijderd van commerciële toepassingen.” legt onderzoeker Fabian Böhm uit. “Doordat ze gebruik maken van kilometerslange optische vezels en krachtige lasersystemen die heel veel energie gebruiken, zijn ze gewoonweg te complex, te duur en te groot. Het nieuwe ontwerp dat ons team van de VUB heeft ontwikkeld, maakt ze klein en voldoende goedkoop om digitale computers te kunnen vervangen.”
Uit kant-en-klare componenten
Vandaag is er een volledig lab nodig om één enkele “coherente Ising-machine” te huisvesten. De aanpak van de VUB-onderzoekers brengt daar nu verandering in, dankzij een uiterst goedkope en compacte opstelling op basis van standaard optische en elektronische componenten die ook gebruikt worden in het internet. Hierdoor kan de optische computer volledig samengesteld worden uit kant-en-klare commerciële onderdelen en bijgevolg overal makkelijk worden nagebouwd. Bovendien kunnen deze componenten in de toekomst gemaakt worden als fotonische chips, waardoor de grootte én kostprijs in de toekomst nog drastisch zal verlagen.
Het onderzoeksresultaat is gepubliceerd in Nature Communications.
