Libérer la puissance de calcul photonique avec une « vie » artificielle

Les automates cellulaires basiques ou « élémentaires » comme The Game of Life attirent les chercheurs travaillant en théorie des mathématiques et de l’informatique, mais ils peuvent aussi avoir des applications pratiques. Certains des automates cellulaires élémentaires peuvent être utilisés pour la génération de nombres aléatoires, les simulations physiques et la cryptographie. D’autres sont aussi puissants en termes de calcul que les architectures informatiques conventionnelles, du moins en principe. En un sens, ces automates cellulaires axés sur les tâches s’apparentent à une colonie de fourmis dans laquelle les actions simples de fourmis individuelles se combinent pour effectuer des actions collectives plus importantes, telles que creuser des tunnels ou collecter de la nourriture et la ramener au nid. Des automates cellulaires plus « avancés », qui ont des règles plus compliquées (bien que toujours basées sur des cellules voisines), peuvent être utilisés pour des tâches informatiques pratiques telles que l’identification d’objets dans une image.

Marandi explique : « Alors que nous sommes fascinés par le type de comportements complexes que nous pouvons simuler avec un matériel photonique relativement simple, nous sommes vraiment enthousiasmés par le potentiel des automates cellulaires photoniques plus avancés pour des applications informatiques pratiques. »

Idéal pour l’informatique photonique

Marandi dit que les automates cellulaires sont bien adaptés à l’informatique photonique pour plusieurs raisons. Étant donné que le traitement de l’information se produit à un niveau extrêmement local (rappelez-vous que dans les automates cellulaires, les cellules n’interagissent qu’avec leurs voisins immédiats), ils éliminent le besoin d’une grande partie du matériel qui rend l’informatique photonique difficile : les différentes portes, commutateurs et dispositifs qui sont autrement requis pour déplacer et stocker des informations basées sur la lumière. Et la nature à large bande passante de l’informatique photonique signifie que les automates cellulaires peuvent fonctionner incroyablement rapidement. Dans l’informatique traditionnelle, les automates cellulaires peuvent être conçus dans un langage informatique, qui est construit sur une autre couche de langage « machine » en dessous, qui se trouve elle-même au-dessus des zéros binaires et de ceux qui composent les informations numériques.

En revanche, dans le dispositif informatique photonique de Marandi, les cellules de l’automate cellulaire ne sont que des impulsions lumineuses ultracourtes, qui peuvent permettre un fonctionnement jusqu’à trois ordres de grandeur plus rapide que les ordinateurs numériques les plus rapides. Comme ces impulsions de lumière interagissent les unes avec les autres dans une grille matérielle, elles peuvent traiter des informations en déplacement sans être ralenties par toutes les couches qui sous-tendent l’informatique traditionnelle. Essentiellement, les ordinateurs traditionnels exécutent des simulations numériques d’automates cellulaires, mais l’appareil de Marandi exécute de véritables automates cellulaires.

« La nature ultrarapide des opérations photoniques et la possibilité de réalisation sur puce d’automates cellulaires photoniques pourraient conduire à des ordinateurs de nouvelle génération capables d’effectuer des tâches importantes beaucoup plus efficacement que les ordinateurs électroniques numériques », déclare Marandi.

L’article décrivant le travail, intitulé « Photonic Elementary Cellular Automata for Simulation of Complex Phenomena », apparaît dans le numéro du 30 mai de la revue Lumière : Science & Applications. L’auteur principal est Gordon HY Li (MS ’22), étudiant diplômé en physique appliquée ; avec les co-auteurs Christian R. Leefmans, étudiant diplômé en physique appliquée ; et James Williams, étudiant diplômé en génie électrique.

Le financement de la recherche a été fourni par le bureau de recherche de l’armée américaine, le bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air et la National Science Foundation.