Дело принципа

Эта книга читалась, как приключенческий роман, потому что была битком набита поставленными и нерешенными проблемами. Мне жгуче захотелось работать...
А. и Б. Стругацкие. "Понедельник начинается в субботу"

Большинство авторов работ, посвященных оптическим вычислителям, единодушны в том, что все компоненты этих устройств уже известны и существуют "в железе" уже сегодня (существуют, собственно, и сами оптические процессоры), однако массового распространения оптических компьютеров не случится до тех пор, пока в эту область не придут интегральные технологии.

То же самое, кстати, было и с "обыкновенными" компьютерами. Бытует мнение, что, мол, вычислительная техника со временем дешевеет, и это - закон научно-технического прогресса. Черта с два она подешевела бы, если б не микросхемы! Без технологий, позволяющих "за один раз" изготавливать миллионы компонентов, уже объединенных в схемы, ни о каких персональных или даже сколь-нибудь массовых системах и речи быть не могло.

Вывод: до тех пор пока оптические компьютеры собираются из отдельно взятых линз, зеркал, фильтров и оптических усилителей, - делов не будет.

Существуют ли, в принципе, идеи, позволяющие реализовать интегральный подход в технике оптических устройств обработки данных? Конечно же! И с некоторыми из них стоит познакомиться хотя бы в первом приближении.

Объединяй и властвуй!

Отметим важное обстоятельство: все дальнейшее изложение касается не "вообще оптических вычислителей", но только устройств, использующих когерентный свет, принципы квантового усиления и квантовый формализм при описании внутренних процессов. По сути дела, речь дальше пойдет об оптических квантовых процессорах.

Рис.

В общем случае оптический процессор включает в себя следующие элементы: оптическую схему преобразования входного изображения, схему организации обратной связи, обеспечивающую возможность подачи на вход процессора его же выходного сигнала, и оптический усилитель [1], компенсирующий потери (см. рис. 1).

Первый шаг на пути сбора частей процессора в единое целое очевиден. Разместим структуру, показанную на рис.1, внутри объема оптического усилителя (см. рис. 2).

Рис.

Хорошо, поехали дальше. То, что у нас получилось, - это устройство с сосредоточенными оптическими элементами и распределенным усилителем. Что собой представляют оптические элементы процессора, читатель уже знает из предыдущих статей темы номера. В сущности, это области прозрачной среды, в которых искусственно сформировано такое распределение показателя преломления, которое превращает их в фазовые транспаранты.

Как правило, элементы изготавливаются голографическими методами на базе светочувствительных материалов заранее. Особенно подходящими для этих целей оказались так называемые толстые фотоэмульсии. Например, голографический транспарант, обладающий свойствами двояковыпуклой линзы, можно изготовить по схеме, показанной на рис. 3: фотоэмульсия регистрирует стационарную картину интерференции сферических волн от источников А и В. Структура, полученная таким образом, в когерентном свете ведет себя как линза с фокусными расстояниями r1 и r2.

Рис.

А нельзя ли создавать необходимые оптические элементы непосредственно в процессоре? И не заранее, а по мере необходимости? Правда, красивая задача?

Если звезды зажигают...

- Г-голубчики, - сказал Федор Симеонович. - Это же п-проблема Бен Б-бецалеля. К-калиостро же доказал, что она не имеет решения.
- Мы сами знаем, что она не имеет решения, - сказал Хунта. - Мы хотим знать, как ее решать"
А. и Б. Стругацкие.
"Понедельник начинается в субботу"

Для решения этой задачи нам придется "забраться" в область нелинейной оптики. Нам понадобятся оптические материалы, обладающие ярко выраженными нелинейными свойствами. Что же это за свойства такие?

Если говорить весьма упрощенно, то это - способность среды изменять свои оптические характеристики под влиянием проходящего через нее света, благодаря чему в среде возникает возможность взаимовлияния пучков света, перекачка энергии между пучками и, самое для нас главное, - становится возможным при помощи одних пучков света создавать пространственные неоднородности, выполняющие функции оптических элементов для других пучков.

Еще раз повторю: изложенные представления весьма и весьма упрощены. Реальные возможности нелинейной оптики много крат шире, а реальные трудности их осуществления не поддаются описанию. Зато как интересно!

Принято считать, что пустое пространство, вакуум, нелинейными свойствами не обладает, но при достаточно больших плотностях энергии излучения нелинейные эффекты начинают в той или иной степени проявляться практически во всех известных оптических средах.

Для наших целей интерес представляют вещества, нелинейные свойства которых проявляются при небольших уровнях энергий. Поиск таких веществ ведется постоянно, и "планка" пороговых энергий постепенно ползет вниз.

Как же воспользоваться нелинейными свойствами оптической среды? Ну, например, так. Пусть у нас имеется стержень, изготовленный из материала, коэффициент преломления которого зависит от величины электрического поля в каждой конкретной его точке. Введем в этот материал атомы активной примеси, обеспечивающей процесс оптического усиления, и дополним установку парой зеркал и устройством оптической накачки. У нас получился лазер (см. рис. 4).

Рис.

После начала его работы между зеркалами в объеме рабочего тела образуется стоячая волна - стационарное распределение максимумов электрического и магнитного полей световой волны. В этих максимумах произойдет изменение коэффициента преломления среды, и сформируется объемная периодическая структура неоднородностей среды, которая способна выполнять функции зеркал резонатора (вообще-то, любая неоднородность среды всегда порождает отраженную волну, а в данном случае отраженные волны оказываются синфазными, они не "гасят" друг друга).

Энергия поля и коэффициент нелинейности среды определяют порог геометрических размеров, когда генерация способна поддерживаться за счет обратной связи, образуемой только динамическими неоднородностями среды. В этом случае зеркала можно из схемы убрать, а лазер будет работать (в технике такие устройства известны и называются лазерами с распределенным резонатором или с распределенной обратной связью).

Хорошенько подумав над описанной схемой, можно понять, что лазер не обязательно должен быть в виде стержня или трубки. Лазеру можно придать форму сферы, и тогда будет генерироваться сферическая (а не плоская, как в предыдущем случае) волна [2] (см. рис. 5).

Рис.

Теперь вообразим следующую схему (см. рис. 6). Оптическая нелинейная среда, в которой имеются два точечных источника сферических волн. В некоторой области, выделенной на рисунке, стационарное распределение поля интерференции породит соответствующее распределение неоднородностей среды. Для внешней падающей волны эта область будет "вести себя" как линза. При этом, поскольку реализуется схема записи объемной голограммы, качество изображающих свойств "линзы" будет весьма высоким.

Рис.

Аналогичный принцип может быть положен в основу "создания" практически любых, как бы "виртуальных" в смысле их непостоянства, оптических элементов прямо в объеме оптического процессора.

Есть еще один важный момент. Оптическая нелинейность среды проявляется вплоть до определенных пороговых уровней плотности энергии света. Иными словами, при некоторых соотношениях параметров среды, ее объема и энергии накачки возможно формирование в объеме среды множества независимых генерирующих объектов - так называемых фокусов или центров регенерации. В "конструкции" оптического процессора эти "горящие в пространстве звезды" или "лучи" (в случае плоских волн) могут использоваться как инструмент формирования динамической внутренней оптической структуры процессора. Посмотрел я на звездное небо, и подумалось мне...

Оптические интегральные технологии есть! Существует и название - "интегральная оптика". Более того, недавно интегральной оптике исполнилось тридцать лет. Желающим узнать подробности, могу порекомендовать книгу Р. Хансперджера "Интегральная оптика: теория и технология", вышедшую в 1985 году.

Именно для того, чтобы не "собирать оптические компьютеры из отдельно взятых линз, зеркал, фильтров и оптических усилителей", и была задумана интегральная оптика. Поэтому и стараются сейчас навесить на одну интегрально-оптическую платформу как можно больше функций. Возьмем хотя бы ниобат лития. На нем сейчас получают лазерную генерацию (с распределенной обратной связью в том числе), электрооптическую и акустооптическую модуляцию, спектральное уплотнение оптических каналов, память на основе голографии, и даже столь любимые многими нелинейно-оптические свойства этих кристаллов находят свое применение. Разумеется, вся эта платформа отлично стыкуется с оптическим волокном. Существуют в интегральной оптике и другие опорные технологии - например, кремниевая и полупроводниковая, - в которых тоже стараются собрать как можно больше функций, но никаких линзочек, зеркальцев там нет - все интегрируется, и термину "интегральная оптическая схема" уже больше двадцати лет. Не стоит тыкать пальцем в небо (вероятно, в блюдечко с водой тоже) - интегральная оптика есть, и она, как и рок-н-ролл, жива.

Ильдар Салахутдинов

Однако настало время коснуться более глубоких вопросов. И вновь я вынужден напомнить, что представления, которыми мы до сих пор пользовались, очень грубо описывают реальные процессы, происходящие "в недрах" оптических квантовых устройств.

По мере уточнения представлений можно увидеть значительно более изящные подходы к решению поставленной задачи, - создать, по сути дела, единую однородную оптическую среду обработки информации.

Например, неверно представлять свет в лазере как поток частиц-фотонов, мечущихся между зеркалами резонатора (обычного или распределенного, не имеет значения). Гораздо точнее будет представление о существовании в объеме рабочего тела макроскопического квантового объекта - макроскопической волновой функции фотона.

Единственный процесс, который происходит (ладно, не происходит, но будет происходить в недалеком будущем) внутри интегрального оптического процессора, - это непрерывное изменение структуры волновой функции в зависимости от внешних воздействий и своего предыдущего состояния. Больше там ничего не происходит!

Иными словами, оптический квантовый процессор - это, по существу, специальная волновая функция, обладающая свойствами так взаимодействовать с приходящими функциями (изображениями, информацией), чтобы в результате получилась структура, допускающая интерпретацию как результат обработки этой информации. Сам же вычислитель, как прибор, необходим лишь в качестве хранилища некоей активной среды, в которой может "жить и работать" волновая функция-процессор.

Реванш м/о

Как только материаловедческие проблемы будут решены и подходящие по своим свойствам оптические среды будут найдены, встанет во весь рост Главная Проблема - программирование квантового процессора.

В этой области программирование, по сути, означает расчет структуры требуемой волновой функции-процессора, а также начальных геометрических параметров внешних устройств, которые в момент включения вычислителя сформируют "стартовое" волновое поле в объеме процессора.

При этом в уравнение процессорной функции будет необходимо внести все характеристики и параметры, обеспечивающие способность к "самовоспроизведению" в активной среде, возможности запоминания в своей структуре всей необходимой информации и алгоритмов ее обработки, а также способность к взаимодействию с оператором и окружающим миром.

Сразу скажу: это задача колоссальной математической сложности!

Программисты оптических процессоров наверняка вернут себе давно позабытое (вероятно, с конца 60-х годов) звание "математик-программист". А результатом их труда станет именно "математическое обеспечение".

Но математика-то сама, в принципе, вся известная.

В принципе, можно начинать.

1 (обратно к тексту) - Оптический квантовый усилитель - это оптическая среда (объем вещества), в которой возможны процессы возбуждения атомов или молекул за счет внешнего источника энергии с последующим переходом в обычное состояние. Переход сопровождается излучением света. От обычной флуоресценции этот процесс отличается лишь тем, что излучение здесь не спонтанное, а стимулированное светом внешнего источника. Это стимулированное излучение когерентно входному и даже сохраняет его фазовый профиль. И последнее замечание: "обычный" лазер представляет собой оптический квантовый усилитель, замкнутый глубокой положительной обратной связью, что приводит к самовозбуждению и переходу усилителя в режим генерации - свойство, кстати, присущее всем усилителям.

2 (обратно к тексту) - Хотите наглядный пример? Налейте в блюдце воды и потыкайте пальцем в центре. Увидите, что получится.