Onderzoeksgroep Applied Physics van de Vrije Universiteit Brussel heeft een nieuwe generatie optische computers ontwikkeld, de zogenaamde coherent Ising machines. Zo’n “coherent Ising machine” kan aanzienlijk sneller en energiezuiniger zijn dan de huidige conventionele digitale computer bij het oplossen van optimalisatieproblemen. Vooralsnog waren ze helaas heel groot, duur en moeilijk te bouwen omdat ze gebruik maken van kilometerslange optische vezels en krachtige laser-systemen. Het team van prof. Fabian Böhm, prof. Guy Verschaffel en prof. Guy Van der Sande heeft deze machines sterk verkleind en vereenvoudigd tot een draagbaar systeem. In de toekomst kan het systeem zelfs verkleind worden tot slechts enkele millimeters groot. Zo worden deze “coherente Ising-machines” voor het eerst goedkoop en praktisch genoeg voor commercieel gebruik.

Optimalisatie-algoritmes zijn overal: ze berekenen het meest efficiënte vervoersplan van de treinen, de beste timing van slimme verkeerslichten of de snelste route tot onze bestemming op onze smartphone. Maar ze vergen zeer veel rekenkracht waarmee traditionele computers grote moeite hebben. Dat is de reden waarom verschillende onderzoeksinstituten en grote bedrijven als Google, IBM, HP of NTT op zoek zijn naar alternatieven voor de conventionele digitale computer om net dit soort problemen sneller op te lossen. De grootse kanshebbers als alternatief zijn vandaag kwantum-computers en “coherent Ising machines”. Beide computers hebben gemeen dat ze, in tegenstelling tot digitale computers, niet alle mogelijkheden uitproberen om de optimale oplossing te vinden. Ze evolueren liever naar de meest waarschijnlijke oplossing, vergelijkbaar met de manier waarop water altijd naar het laagste punt in een vallei stroomt. Het belangrijkste verschil is dat optische computers op klassiek laser-licht werken, waar kwantum-computers gebruik maken van de soms vreemde eigenschappen van de kwantumfysica.

Onderzoeksgroepen in Japan en in de VS hebben aangetoond dat de “coherent Ising machines” minstens honderd keer sneller kunnen zijn dan digitale computers. Ze slagen er in om vergelijkbare en zelfs betere prestaties voor te leggen dan kwantum-computers terwijl ze goedkoper zijn. Maar deze Ising-machines zijn in hun huidige vorm evenwel nog ver verwijderd van commerciële toepassingen. Doordat ze gebruik maken van kilometerlange optische vezels en krachtige laser-systemen die heel veel energie gebruiken, zijn ze gewoonweg te complex, te duur en te groot. Het nieuwe ontwerp dat het VUB-team ontwikkelde, maakt ze klein en voldoende goedkoop om digitale computers te kunnen vervangen.

Vandaag is er een volledig lab nodig om één enkele “coherent Ising machine” te huisvesten. De aanpak van de VUB-onderzoekers brengt daar nu verandering in, dankzij een uiterst goedkope en compacte opstelling op basis van standaard optische en elektronische componenten die ook in het Internet worden gebruikt. Hierdoor kan de optische computer volledig samengesteld worden uit kant-en-klare commerciële onderdelen en bijgevolg overal makkelijk worden nagebouwd. Bovendien kunnen deze componenten in de toekomst gemaakt worden als fotonische chips, waardoor de grootte én de kostprijs in de toekomst nog drastisch zal verlagen.