Optical Fourier Architecture for Universal Nonlinear Functions
यह शोध पत्र एक ट्यूनेबल फेज शिफ्टर्स वाले टू-मोड लीनियर सर्किट का उपयोग करते हुए एक सटीक, डिटरमिनिस्टिक ऑप्टिकल आर्किटेक्चर को प्रस्तुत और मान्य करता है, जो मनमाने (arbitrary) परिमित फूरियर श्रृंखलाओं का मूल्यांकन करने में सक्षम है, जिससे एकीकृत फोटोनिक प्लेटफॉर्म्स पर लीनियर डेप्थ के साथ यूनिवर्सल सिंगल-वेरिएबल नॉनलीनियर ऑप्टिकल कंप्यूटिंग संभव हो पाती है।
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आधुनिक कंप्यूटर एक दीवार से टकरा रहे हैं। जैसे-जैसे वे आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस को प्रशिक्षित करने और विशाल डेटा को प्रोसेस करने जैसे तेजी से जटिल कार्यों को संभाल रहे हैं, उन्हें चलाने और ठंडा रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा एक बहुत बड़ी आर्थिक और भौतिक बाधा बन गई है। पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक चिप्स गति और गर्मी के मामले में संघर्ष कर रहे हैं, जिससे वैज्ञानिक प्रकाश (लाइट) की ओर एक तेज़ और अधिक कुशल विकल्प के रूप में देख रहे हैं। प्रकाश लगभग बिना किसी देरी के सूचना ले जा सकता है और बहुत कम शक्ति का उपयोग करता है, लेकिन इसमें एक पेंच है: प्रकाश स्वाभाविक रूप से रैखिक (linear) होता है, जिसका अर्थ है कि यह दूसरे प्रकाश के माध्यम से बिना परस्पर क्रिया किए या उसे बदले बिना गुजर जाता है। आधुनिक बुद्धिमत्ता को संचालित करने वाली जटिल, गैर-रैखिक (non-linear) गणनाओं को करने के लिए, कंप्यूटरों को डेटा को उन तरीकों से मोड़ने और घुमाने की आवश्यकता होती है जो प्रकाश स्वाभाविक रूप से नहीं करता है। वर्षों तक, एकमात्र समाधान प्रकाश को वापस बिजली में बदलना था ताकि ये कार्य किए जा सकें, और फिर इसे वापस प्रकाश में बदलना, एक ऐसी प्रक्रिया जो समय और ऊर्जा दोनों को खा जाती है, जिससे प्रकाश का उपयोग करने के लाभ ही समाप्त हो जाते हैं।
वियना विश्वविद्यालय और ऑस्ट्रियाई एकेडमी ऑफ साइंसेज के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बाधा को पूरी तरह से दूर करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने एक नए प्रकार के ऑप्टिकल आर्किटेक्चर को डिजाइन किया है जो कांच और दर्पणों से बने सरल, रैखिक घटकों का उपयोग करके जटिल, गैर-रैखिक गणितीय फलनों (functions) को निष्पादित कर सकता है। उनका कार्य यह सिद्ध करता है कि एक ऐसा सर्किट बनाना संभव है जो किसी भी सीमित गणितीय श्रृंखला (series) का मूल्यांकन कर सके, चाहे वह कितनी भी जटिल क्यों न हो, और इसके लिए कभी भी सिग्नल को बिजली में बदलने या उन विदेशी सामग्रियों की आवश्यकता नहीं है जिन्हें बनाना कठिन है। प्रकाश को अप्राकृतिक तरीकों से व्यवहार करने के लिए मजबूर करने के बजाय, उन्होंने एक तरीका खोजा जिससे मानक ऑप्टिकल भागों को इस तरह व्यवस्थित किया जा सके कि प्रकाश का पथ ही उत्तर को एनकोड (encode) कर दे।
उनकी खोज का मूल आधार एक गणितीय फलन को प्रकाश के एक विशिष्ट पैटर्न में अनुवादित करने की विधि है। उनके सिस्टम में, एक उपयोगकर्ता प्रकाश तरंग के 'फेज' (phase) को समायोजित करके एक संख्या इनपुट करता है, जो अनिवार्य रूप से तरंग के समय में एक सूक्ष्म बदलाव है। यह विस्थापित तरंग फिर निश्चित ऑप्टिकल घटकों की एक श्रृंखला के माध्यम से यात्रा करती है, विशेष रूप से 'माक-ज़ेंडर इंटरफेरोमीटर' (Mach-Zehnder interferometers) नामक छोटे उपकरण जो प्रकाश की किरणों को विभाजित और पुनर्संयोजित करते हैं। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि उनके द्वारा गणना किए जाने वाले किसी भी गणितीय फलन के लिए, इन घटकों को व्यवस्थित करने का एक सटीक, नियतात्मक (deterministic) तरीका मौजूद है। उन्हें विभिन्न कॉन्फ़िगरेशन का अनुमान लगाने या बार-बार प्रयास करने की आवश्यकता नहीं है; इसके बजाय, वे इस कार्य के लिए आवश्यक सटीक सेटिंग्स की गणना करने के लिए 'स्पेक्ट्रल फैक्टराइजेशन' (spectral factorization) नामक एक गणितीय तकनीक का उपयोग करते हैं। यह प्रक्रिया गारंटी देती है कि सर्किट से निकलने वाले प्रकाश की तीव्रता वांछित फलन के साथ पूरी तरह मेल खाएगी।
इस दृष्टिकोण को जो बात असाधारण बनाती है, वह इसकी दक्षता और निश्चितता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक हजार पदों (terms) वाले फलन के लिए, उनकी विधि पूरे सर्किट को एक ही बार में डिजाइन कर सकती है, जिसमें एक मानक लैपटॉप पर पांच सेकंड से भी कम समय लगता है। परिणामी उपकरण एक रैखिक ऑप्टिकल सर्किट है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश इसमें केवल एक बार यात्रा करता है, और परिणाम की गणना करने में लगने वाला समय केवल इस बात पर निर्भर करता है कि प्रकाश कांच के माध्यम से कितनी तेजी से चलता है। इसमें कोई पुनरावृत्ति खोज (iterative searching) या परीक्षण-त्रुटि (trial-and-error) शामिल नहीं है। टीम ने दिखाया कि भले ही फलन अचानक उछलते हों या उनके किनारे बहुत तीखे हों, जो प्रकाश-आधारित प्रणालियों के लिए संभालना कठिन होता है, उनका आर्किटेक्चर सही आउटपुट तैयार कर सकता है। उन्होंने इसे एक कंप्यूटर पर सिम्युलेट करके सत्यापित किया, जिससे यह दिखाया गया कि यह सिस्टम सुचारू वक्रों (smooth curves) के साथ-साथ स्टेप्ड और विच्छिन्न आकृतियों (discontinuous shapes) को भी सटीक रूप से पुनरुत्पादित कर सकता है जो वास्तविक दुनिया के डेटा की नकल करते हैं।
शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि उनकी विधि क्वांटम कंप्यूटिंग तकनीकों से प्रेरणा लेती है, लेकिन सिस्टम स्वयं पूरी तरह से क्लासिकल लाइट (classical light) के साथ काम करता है। इसके लिए सिंगल फोटोन या उन नाजुक स्थितियों की आवश्यकता नहीं है जो क्वांटम प्रयोगों के लिए आवश्यक होती हैं। यह इस तकनीक को इंटीग्रेटेड फोटोनिक चिप्स के लिए तुरंत लागू करने योग्य बनाता है, जो आधुनिक दूरसंचार और डेटा केंद्रों में उपयोग किए जाने वाले छोटे पैमाने के सर्किट हैं। यह सिद्ध करके कि एक सार्वभौमिक, गैर-रैखिक फलन को सरल रैखिक भागों से बनाया जा सकता है, उन्होंने ऑप्टिकल कंप्यूटरों की एक नई पीढ़ी के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान किया है। ये मशीनें सीधे ऑप्टिकल डोमेन में आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस के भारी कार्यों को करने में सक्षम हो सकती हैं, जिससे उन ऊर्जा-खपत वाले रूपांतरण चरणों को समाप्त किया जा सके जो वर्तमान में इन प्रणालियों की गति और दक्षता को सीमित करते हैं।
टीम ने अपने वर्तमान कार्य की सीमाओं को भी रेखांकित किया। उनकी विधि उन फलनों के लिए डिज़ाइन की गई है जो एक एकल चर (single variable) पर निर्भर करते हैं। ऐसे फलनों तक विस्तार करना जिनमें कई चर होते हैं, या कई ऑप्टिकल सर्किटों को एक साथ जोड़ना ताकि एक का आउटपुट सीधे अगले को प्रोग्राम करे, एक खुला चैलेंज बना हुआ है। वर्तमान में, सर्किटों को जोड़ने के लिए आमतौर पर प्रकाश को वापस बिजली में बदलना पड़ता है ताकि अगले चरण को सेट किया जा सके, जो उसी बाधा को फिर से पेश करता है जिसे वे हटाना चाहते थे। हालाँकि, प्रकाश में जटिल फलनों को समाहित करने के तरीके के लिए एक ठोस, गणितीय आधार स्थापित करके, यह कार्य एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि एक पूर्णतः ऑप्टिकल कंप्यूटर का सपना, जो आधुनिक कंप्यूटिंग की गैर-रैखिक मांगों को इलेक्ट्रॉनिक हस्तक्षेप के बिना संभालने में सक्षम हो, केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं है बल्कि एक इंजीनियरिंग वास्तविकता है जिसे आज उपलब्ध उपकरणों के साथ बनाया जा सकता है।
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