Ordinateur optique

Un ordinateur optique (ou ordinateur photonique) est un ordinateur numérique qui utilise des photons pour le traitement des informations, alors que les ordinateurs conventionnels utilisent des électrons.

Les photons ont la particularité de ne pas créer d'interférence magnétique, de ne pas générer de chaleur et de se propager très rapidement, ce qui peut être utile dans un ordinateur quantique. Les transistors, processeurs et puces optiques (dont photoniques neuromorphiques, qui fonctionnent comme des neurones mais en effectuent leurs calculs via la lumière, c’est-à-dire des photons, plutôt que des électrons) sont bien plus rapides que les systèmes électroniques classiques. Des ordinateurs optiques pourraient être plus puissants et rapides que les ordinateurs conventionnels actuels, tout en réduisant significativement la dissipation thermique.

Les chercheurs ont essayé de concevoir des ordinateurs optiques depuis le début des années 1970. Des progrès significatifs ont été effectués dans les années 1980, mais la technologie est encore émergente. En 1990, une équipe des laboratoires Bell dirigée par Alan Huang a construit le premier ordinateur optique, composé de séries de lasers, d'optiques et de miroirs ; il n'était capable que de faire des additions.

De nombreuses difficultés de mise en œuvre existaient (dont la miniaturisation des composants optiques), rendant hypothétique la sortie d'un ordinateur classique purement optique dans le proche avenir. On espérait toutefois pouvoir utiliser ce concept pour résoudre certains problèmes via des « ordinateurs mixtes ».

Mais de récents progrès d'applications de nanotechnologies et de matériaux émergents, telles que les nanoparticules à avalanche (en anglais Avalanching Nanoparticles, ou ANPs), permettent de moduler la lumière avec une extrême sensibilité, car ces matériaux sont caractérisés par une réponse optique hautement non linéaire, permettant une émission lumineuse exponentielle en réaction à une excitation laser minimale. Composées généralement de cristaux dopés aux ions de lanthanides (comme un nanocristal dopé au thulium métallique de lanthanide), qui absorbent et émettent de la lumière avec un phénomène dit d'« avalanche photonique », c'est-à-dire où une faible intensité lumineuse déclenche une cascade d'absorption et de réémission, amplifiant considérablement le signal optique. Ce comportement unique leur confère des propriétés exceptionnelles pour des applications en bio-imagerie à super-résolution, en thermométrie luminescente, en stockage optique de données, ou encore en calcul neuromorphique, où elles peuvent simuler des réseaux neuronaux à l'échelle nanométrique. Les ANPs permettent de dépasser la limite de diffraction sans recourir à des algorithmes complexes ni à des équipements spécialisés. Ces avancées, notamment portées par des institutions telles que le Lawrence Berkeley National Laboratory et l'Université Columbia, ouvrent la voie à une nouvelle génération de technologies optoélectroniques et d'intelligence artificielle photonique.

D'autres progrès de l'optique non linéaire concernent l'effet Kerr qui permet d'envisager des portes logiques plus complexes et une photonique intégrée^[1] capable d'ouvrir cette technologie à un champ plus large d'applications. Par exemple, des nanocristaux, dopés au néodyme, offrent des capacités de commutation et de mémoire optique prometteuses pour les futurs systèmes informatiques, notamment dans les domaines de l'intelligence artificielle et du traitement d'image. Parallèlement, pour réduire la complexité spatiale des dispositifs, parfois en s'inspirant des réseaux neuronaux biologiques pour concevoir des systèmes compacts et efficaces, les chercheurs explorent deux architectures principales :

• l'optique en espace libre, qui utilise des faisceaux lumineux dans l'air ;
• la photonique sur puce, qui canalise la lumière dans des circuits miniaturisés.

Malgré ces progrès, plusieurs défis persistent, dont la difficulté de stocker durablement les photons, une miniaturisation accrue des composants optiques, et l'intégration fiable des guides lumineux dans des architectures informatiques universelles.

L'informatique photonique pourrait à terme révolutionner le calcul haute performance et les communications quantiques. Elle est encore confinée à des tâches spécialisées, telles que le traitement parallèle de signaux ou la reconnaissance visuelle, mais elle intéresse les acteurs, militaires ou civils (concepteurs de robots et véhicules autonomes, d'armes ou de défenses intelligentes, typiquement, qui nécessitent des systèmes traitant ultra-rapidement l'information, capable d'évaluer en temps réel des milliers de scénarios critiques — comme l'irruption soudaine d'un enfant ou d'un cycliste devant un véhicule — et de déclencher instantanément la réponse la plus sûre, telle qu'un évitement, dans des environnements dynamiques et imprévisibles).

La relative facilité de construction de l'ordinateur électronique conventionnel vient de la facilité de transporter l'information d'un endroit à un autre sous forme d'électrons, et de la possibilité de la stocker durablement en utilisant les électrons pour modifier l'état d'une mémoire (condensateur, disque dur ou autre).

Tel n'est pas le cas en optique : les photons ne se stockent pas sur un support (la mémoire de masse à photons n'existe donc pas). Et il est plus délicat de le transférer d'un point à un autre de façon fiable : il se propage en ligne droite (aux phénomènes de diffraction près : voir photon, diffraction et principe d'optique non linéaire). On maitrise les guides optiques tels que les fibres optiques, mais ils restent plus compliqués à intégrer dans l'ordinateur qu'un simple fil métallique conducteur facile à souder. De la mémoire RAM peut en revanche se faire en montant les transistors optique en bascule.

D'autre part, le terme d'ordinateur optique recèle déjà en lui-même une ambiguïté. Alors que l'informatique habituelle permet de traiter par la programmation des problèmes dits universels, les systèmes à base d'optique ne se prêtent bien qu'à la résolution de certains problèmes, en particulier ceux qui concernent le traitement de signal et d'image.

L'optique a cependant ses atouts : elle utilise les trois dimensions de l'espace, puisqu'à une direction de propagation sont associées deux directions perpendiculaires suivant lesquelles on peut réaliser des images. Toute lentille réalise sur une image une opération algébrique extrêmement utile, la transformation de Fourier sur deux variables d'espace (les deux directions perpendiculaires à la propagation). Sans entrer dans le détail, cette opération est à la base de nombreuses applications spécialisées, dont la reconnaissance d'image.

En termes de puissance de calcul, les transistors optiques sont très rapides, et les ordinateurs optiques de laboratoire ont déjà des performances remarquables : jusqu'à 5x10^12 opérations par seconde (5 TeraOPS), mais il ne s'agit alors que d'opérations spécialisées de traitement de signal. La comparaison avec l'électronique doit se faire avec des circuits intégrés spécialisés pour une opération de traitement de signal, et qui ont donc des performances bien supérieures à celles des microprocesseurs universels : un circuit de traitement de signal tel que le STi 3220 pour l'analyse de mouvement d'images vidéo, comprenant un million de transistors répartis en 256 processeurs, a une puissance de calcul de 14 000 MFLOPS, alors qu'un microprocesseur de même taille et technologie ne réalise que 50 MFLOPS.

L'ordinateur optique est donc avant tout un processeur de signal ou d'image.

• Processeur optique
• Ordinateur du futur

• Portail de l’informatique