研究人員開發了一種基於光的新型計算方案，該方案使用光子集成電路來減少加密貨幣和區塊鏈應用所需的能量。
像比特幣這樣的加密貨幣——驗證交易並將新的加密貨幣添加到區塊鏈的過程——消耗了全球高達 1% 的能源。
隨著加密貨幣和區塊鏈應用日益成為主流，預計這種能源支出將會增長。
加密貨幣是使用加密算法創建的數字貨幣。
這些替代貨幣需要一個區塊鏈——一種數字分類賬，以一種難以或不可能改變或破解的方式記錄交易等信息。
『目前，隻有那些能夠獲得高折扣能源的人才能進行加密貨幣挖礦 – 低於0.05美元 / kWh，』第一作者Sunil Pai說，他在斯坦福大學進行研究，現在在量子計算公司PsiQuantum。
『我們的低能耗芯片將使世界各地的個人有可能參與采礦，並從中獲利。
在Optica中，研究人員詳細介紹了他們名為LightHash的新方案，該方案使用光子集成電路來創建光子區塊鏈。
隨著進一步發展，研究人員預測，與最好的現代數字電子處理器相比，這種方法如果大規模實施，可以使能源使用量提高大約十倍。
David A.B. Miller與Shanhui Fan和Olav Solgaard共同領導了斯坦福大學的研究團隊。
『我們的光子區塊鏈方法也可用於加密貨幣以外的應用，例如安全地傳輸醫療記錄，智能合約和投票的數據，』Pai說。
『這項工作為低能耗光學計算鋪平了道路，最終可以降低數據中心的能耗。
利用矽光子學實現更環保的采礦
對挖掘加密貨幣所需的大量能源的擔憂日益增加，導致以太坊等一些流行的加密貨幣轉向未經證實且可能不安全的計劃，以盡量減少其碳足跡。
為了找到一種更環保的方法，同時保持高水平的安全性，Pai及其同事使用矽光子學來降低加密貨幣網絡的能源需求。
LightHash改進了團隊之前開發的名為HeavyHash的方案，該方案目前用於Optical Bitcoin和Kaspa等加密貨幣網絡。
『LightHash的主要動機是HeavyHash對硬件錯誤的高度敏感，』Pai說。
『由於模擬計算機《包括光子計算機》難以實現低錯誤率，因此我們設計了LightHash來保持HeavyHash的所有安全特性，同時提高其對錯誤的魯棒性。
安全地創建比特幣或運營其計算網絡需要計算像SHA256或Heavyhash這樣的哈希函數，以太復雜而無法撤消的方式將輸入數據轉換為單個輸出數字，這占比特幣能源使用的大部分。
在這項新工作中，研究人員修改了Heavyhash，使其與共同設計的矽光子芯片配合使用，該芯片攜帶6×6可編程幹涉儀網絡。
這使得矩陣乘法的低能量光學處理成為可能，這構成了Lighthash中計算的大部分。
為了評估使用LightHash進行矩陣乘法的可行性，研究人員建立了一個光學裝置，通過調整加熱元件和將光柵點成像到紅外相機上來控制和跟蹤光的傳播。
他們還實施了錯誤緩解算法，並建立了擴展技術的可行性標準。
精確、低功耗的計算
使用矽光子芯片獲得的實驗結果與使用模擬誤差預測獲得的結果相匹配。
『我們的研究結果表明，LightHash可以使用當前的矽光子芯片技術進行大規模計算，』Pai說。
『從本質上講，我們已經設計了一種使用模擬光電路以接近零的功耗執行乘法的方法，但又足夠精確地用於數字加密方案。
為了使LightHash顯示出比數字等價物更大的優勢，它必須擴展到64個輸入和輸出。
研究人員還致力於通過設計低功耗機電調諧元件和節能轉換器將光信號轉換為電信號來進一步降低能耗。
他們說，由於新芯片加速了矩陣乘法，這是人工智能應用中計算量最大的操作，與傳統的數字實現相比，它還可以幫助使光子神經網絡的訓練和應用更加節能。
『看看加密貨幣技術如何發展以及光子學在多大程度上有助於去中心化賬本在當今社會中日益主流的作用，這將是一件有趣的事情，』Pai說。