Supercomputerele viitorului vor gândi cu ajutorul luminii, iar fibra de sticlă ar putea detrona siliciul

Supercomputerele viitorului vor gândi cu ajutorul luminii, iar fibra de sticlă ar putea detrona siliciul. O descoperire revoluționară realizată de echipe de cercetare din Finlanda şi Franţa deschide calea către calculatoarele ultra-rapide şi ultra-eficiente, semnalând sfârşitul erei siliciului şi începutul unei epoci dominate de fotonică şi inteligenţă artificială.

Studiul, semnat de postdoctoranzii Mathilde Hary şi Andrei Ermolaev şi coordonat de profesorii Goëry Genty (Tampere), John Dudley şi Daniel Brunner (Besançon), deschide calea către computere optice capabile să proceseze informaţii la viteze şi eficienţe greu de conceput acum. Aceştia au implementat un concept de calcul inspirat de reţelele neuronale, denumit „Extreme Learning Machine” (ELM), şi l-au adaptat la domeniul fotonic.

Era siliciului şi a tranzistoarelor electronice o paradigmă pe cale de dispariție

De peste jumătate de secol, industria calculatoarelor s-a bazat pe microcipurile de siliciu şi tranzistoarele electronice. Aceasta a fost fundaţia Revoluţiei Digitale şi baza oricărui dispozitiv de calcul, de la telefoane inteligente şi laptopuri, până la supercomputere şi centre de date. Totuşi, pe măsură ce modelele de inteligenţă artificială devin tot mai mari şi mai complexe, această paradigmă îşi atinge limitele, arată Tempere University în AI at light speed: How glass fibers could replace silicon brains realizat de ScienceDaily.com.

Statele Unite scot încă 53,3 milioane de barili din rezerva strategică pentru a tempera explozia prețurilor la petrol

21:39

România trece la SUMAL 3.0: STS și inteligența artificială vor urmări în timp real fiecare transport de lemn

19:58

Consumul de energie, disiparea căldurii şi viteza de procesare reprezintă bariere tot mai greu de depăşit. Siliconul şi electronica clasică nu mai ţin pasul cu cerinţele exponenţiale de putere şi viteză impuse de algoritmi tot mai sofisticaţi. Aşa că ştiinţa şi-a îndreptat atenţia spre fotonica neliniară — capacitatea luminii de a procesa informaţii după cu totul alte reguli decât electronii.

Calculul ultrarapid şi eficient bazat pe lumină

Recent, două echipe de cercetare europene şi-au unit forţele şi expertiza şi au demonstrat că impulsurile laser ultrarapide şi fibrele de sticlă special concepute pot executa sarcini de procesare asemănătoare inteligenţei artificiale (AI) de mii de ori mai rapid decât arhitecturile electronice actuale.

Cercetarea a fost realizată de:

• Postdoctorand dr. Mathilde Hary şi echipa de la Universitatea Tampere (Finlanda).
• Postdoctorand dr. Andrei Ermolaev şi echipa de la Université Marie et Louis Pasteur (Besançon, Franţa).
• Sub coordonarea profesorilor Goëry Genty (Tampere), John Dudley şi Daniel Brunner (Besançon).

Rezultatele lor, publicate recent şi finanţate de Consiliul de Cercetare al Finlandei, Agenţia Naţională de Cercetare a Franţei şi Consiliul European al Cercetării, deschid orizonturi complet noi în domeniul calculului de mare viteză şi al inteligenţei artificiale.

Foto: Shutterstock

Cum funcţionează noua tehnologie revoluționară

La baza experimentului stă conceptul de Extreme Learning Machine (ELM) — un model de calcul inspirat de reţelele neuronale, adaptat la domeniul fotonic.

În loc să utilizeze tranzistori şi semnale electronice, sistemul encodează informaţia (de exemplu, imagini cu cifre scrise de mână) sub forma unor impulsuri laser ultrarapide — de ordinul unei femtosecunde (o milionime de miliardime de secundă).

Aceste impulsuri de lumină sunt direcţionate şi propagă printr-o fibră de sticlă ultrasubţire, cu diametru mai mic decât grosimea unui fir de păr uman. Pe măsură ce parcurg fibra, pulsele interacţionează neliniar şi dispersiv, „amestecând” şi prelucrând informaţia iniţială după legile opticii neliniare.

La ieşirea din fibră, spectrul de culori al luminii encodează întreaga procesare, permiţând recunoaşterea şi clasificarea datelor.

Performanţe record şi echilibru fin între putere şi dispersie

Rezultatele experimentale sunt remarcabile:

• Clasificare de cifre scrise de mână (setul de date MNIST) cu o acurateţe de peste 91%, comparabilă cu metodele electronice de vârf.
• Totul realizat în mai puţin de o picosecundă — de mii de ori mai rapid decât orice implementare pe hardware digital convenţional.
• Secretul? Nu intensitatea maximă a pulsului laser este cheia, ci echilibrul fin între dispersia spectrală, lungimea fibrei şi nivelul de putere.

„Performanţa nu ţine pur şi simplu de pomparea unei intensităţi mai mari de lumină, ci de modul precis şi inteligent de structurare şi encode a informaţiei şi de adaptarea la caracteristicile fibrei şi spectrului de lumină,” a explicat Mathilde Hary.

De la teorie la aplicaţii concrete

Importanţa acestei descoperiri depăşeşte spectrul strict academic şi deschide calea către implementarea comercială şi industrială a calculului optic:

• Procesare de semnale în timp real: de la radar şi imagistică medicală, la sisteme de supraveghere şi monitorizare ambientală.
• Inferenţă AI la viteză record: calcul de milioane de ori mai rapid şi mai eficient decât implementările electronice actuale.
• Eficienţă energetică şi sustenabilitate: reducerea dramatică a amprentei de carbon şi a costurilor operaţionale ale infrastructurilor de calcul şi centrelor de date.

Cercetătorii vizează acum implementarea acestor sisteme pe cipuri fotonice integrate, capabile de procesare de mare viteză şi scalabilitate comercială, fără a mai depinde de infrastructura de laborator.

O alianţă între ştiinţa pură şi aplicaţiile industriale

„Aceste rezultate arată că graniţa dintre hardware şi algoritmi devine tot mai fluidă şi că lumina poate deveni suportul unei paradigme cu totul noi de procesare a informaţiei,” a concluzionat Andrei Ermolaev.

Iar profesorul Genty adaugă:

„Acest studiu demonstrează că fizica fundamentală şi machine learning-ul pot fuziona şi că această simbioză deschide calea unei noi ere — a calculatoarelor ultrarapide şi eficiente energetic”.

Viitorul ne îndreaptă către o revoluţie fotonică

Performanţele şi principiile dezvăluite de echipa finlandezo–franceză reprezintă mai mult decât un simplu progres ştiinţific: un posibil punct de inflexiune între era digitală şi era fotonică.

Viitoarele calculatoare şi sisteme de inteligenţă artificială nu vor mai gândi după legile electronilor, ci după legile luminii şi ale neliniarităţii optice — deschizând orizonturi nemărginite şi un viitor tot mai rapid şi mai sustenabil.

Dacă noua tehnologie va funcționa viitorul o să fie mai rapid, mai eficient şi mai „luminos” decât am visat vreodată.

Referinţă ştiinţifică: Andrei V. Ermolaev, Mathilde Hary, Lev Leybov, Piotr Ryczkowski, Anas Skalli, Daniel Brunner, Goëry Genty, John M. Dudley. Limits of nonlinear and dispersive fiber propagation for an optical fiber-based extreme learning machine. Optics Letters, 2025; 50 (13): 4166 DOI: 10.1364/OL.562186