Компютрите стават все по-мощни и по-малки, но силициевата технология наближава своя предел. Транзисторите, които вече са десетки милиарди в компютърните чипове, скоро няма да могат да се смаляват още повече поради производствените трудности. Затова учените активно търсят алтернативни методи за изчисления, които не разчитат на силициевите транзистори.

Един такъв метод е фотонният компютър, който използва светлина вместо електричество, подобно на начина, по който оптичните кабели замениха медните проводници в компютърните мрежи. Светлината има голям информационен капацитет и може да прехвърля данни по-бързо и по-далече от електричеството. Но може ли светлината да се използва не само за комуникация, но и за изчисления?

Изследователи от Калифорнийския технологичен институт, ръководени от Алиреза Маранди, професор по електроинженерство и приложна физика, се опитват да отговорят на този въпрос. Те са разработили фотонен компютър, базиран на клетъчни автомати – компютърни модели, състоящи се от мрежа от „клетки“, които могат да живеят, да умират, да се възпроизвеждат и да еволюират в многоклетъчни същества с уникално поведение.

Клетъчните автомати не са нова идея. Един от най-известните примери е „Играта на живота“ или „Играта на Конуей“, разработена от английския математик Джон Конуей през 1970 г. Това е компютърна игра, в която клетките на мрежа живеят или умират в съответствие с четири прости правила. От тези правила се получават сложни форми и поведение на клетките, които са получили имена като: кошничка за хляб, пчелен кошер, жаба и тежък космически кораб.

Клетъчните автомати привличат вниманието на математиците и теоретиците от областта на компютърните науки, но те могат да имат и практически приложения. Някои от тях могат да се използват за генериране на случайни числа, физични симулации и криптография. Други са също толкова мощни в изчислително отношение, колкото и традиционните компютърни архитектури – поне по принцип.

В известен смисъл тези ориентирани към задачите клетъчни автомати приличат на колектив от мравки, в който простите действия на отделните мравки се комбинират в по-големи колективни действия, като копаене на тунели или събиране и доставяне на храна в гнездото. По-напредналите клетъчни автомати, които имат по-сложни правила (макар и все още базирани на съседни клетки), могат да се използват за практически изчислителни задачи, като например разпознаване на обекти в изображение.

Маранди обяснява:

„Очаровани сме от типа сложно поведение, което можем да симулираме с относително прост фотонен хардуер, но сме наистина развълнувани от потенциала на по-усъвършенстваните фотонни клетъчни автомати за практически изчислителни приложения“.

Маранди допълва, че клетъчните автомати са подходящи за фотонни изчисления по няколко причини. Тъй като обработката на информацията се извършва на изключително локално ниво (спомнете си, че в клетъчните автомати клетките взаимодействат само с непосредствените си съседи), те елиминират необходимостта от голяма част от хардуера, който прави фотонните изчисления сложни: различни гейтове, превключватели и устройства, които иначе са необходими за преместване и съхраняване на светлинната информация.

А високата производителност на фотонните изчисления означава, че клетъчните автомати могат да бъдат невероятно бързи. При традиционните изчисления клетъчните автомати могат да бъдат проектирани на компютърен език, който е изграден на друг слой „машинен“ език под него, който на свой ред се основава на двоичните нули и единици, съставящи цифровата информация.

За разлика от тях, във фотонния компютър на Маранди клетките на клетъчния автомат са представени от свръхкратки светлинни импулси, които могат да работят три пъти по-бързо от най-бързите цифрови компютри. Когато взаимодействат помежду си в мрежа от оборудване, те могат да обработват информацията в движение, без да забавят всички слоеве, които са в основата на традиционните компютри. По същество традиционните компютри работят с цифрови симулации на клетъчни автомати, докато компютърът на Маранди работи с истински клетъчни автомати.

„Свръхбързият характер на фотонните операции и възможността за прилагане на фотонни клетъчни автомати върху кристали могат да доведат до следващото поколение компютри, които са в състояние да изпълняват сложните алгоритми много по-ефективно от сегашните електронни компютри“, казва още Маранди.