光計(jì)算機(jī)離我們究竟有多遠(yuǎn)？

　　光計(jì)算機(jī)是什么?光計(jì)算機(jī)，俗稱光腦。上世紀(jì)，早在電子計(jì)算機(jī)剛剛興起之時(shí)，科學(xué)家們便提出了光子計(jì)算機(jī)的概念。這是因?yàn)槔霉膺M(jìn)行計(jì)算，比用電子計(jì)算有著許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

　　例如大家所熟悉的，光計(jì)算是具有并行性，即可以多路同時(shí)計(jì)算，結(jié)果互不干擾。這使得光路可以在空間中交叉卻互不影響。在這一點(diǎn)上，電路難以做到。此外還有功耗低、信道密度高、容錯(cuò)性好之類的優(yōu)點(diǎn)。一時(shí)間，“光腦”的呼聲甚囂塵上。

　　另外，光在模擬計(jì)算領(lǐng)域，還有著第一無二的優(yōu)勢(shì)。

　　通常我們所理解的計(jì)算機(jī)是指數(shù)字計(jì)算機(jī)，即利用邏輯門和0101的信息來進(jìn)行計(jì)算的。但實(shí)際上除了數(shù)字計(jì)算機(jī)，還有一類不依賴邏輯門的計(jì)算機(jī)，叫做模擬計(jì)算機(jī)。電子式的模擬計(jì)算機(jī)直接利用電壓和電流進(jìn)行計(jì)算，目的是得到一個(gè)可供測(cè)試或?qū)嶒?yàn)的數(shù)值解，而不是解析解或準(zhǔn)確解。此類計(jì)算機(jī)大家很陌生，是因?yàn)橥糜诠I(yè)、實(shí)驗(yàn)和科研領(lǐng)域，普通商用和家用計(jì)算機(jī)一般都是數(shù)字計(jì)算機(jī)。

　　在模擬運(yùn)算領(lǐng)域，光有著獨(dú)特的“上帝算法”。

　　例如，在許多領(lǐng)域需要運(yùn)用傅里葉變換相關(guān)的計(jì)算，如卷積。數(shù)字計(jì)算機(jī)來計(jì)算傅里葉變換是非常消耗計(jì)算量的，這使得一些需要運(yùn)用傅里葉變換作為基礎(chǔ)運(yùn)算的算法往往很耗時(shí)，如圖像處理領(lǐng)域。而光通過透鏡的過程，本身就是一次傅里葉變換的過程，這個(gè)過程幾乎完全不需要時(shí)間。

　　早在上世紀(jì)，以光模擬計(jì)算為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)就已被發(fā)明出來，并在圖像識(shí)別、圖像處理等領(lǐng)域使用，甚至據(jù)說美國以前提出的星球大戰(zhàn)計(jì)劃，就打算發(fā)展這種計(jì)算機(jī)來識(shí)別高速飛行的導(dǎo)彈圖像。

　　但這種計(jì)算機(jī)的應(yīng)用面相對(duì)較窄，大眾更需要的是集成化的、能夠處理各種運(yùn)算的數(shù)字式計(jì)算機(jī)。在這方面，光子計(jì)算機(jī)有著巨大的障礙。

　　在空間中利用光實(shí)現(xiàn)邏輯門并非不可能，將透鏡、反射鏡、棱鏡、濾波器、光開關(guān)等器件加以設(shè)計(jì)組合，的確可以實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字式計(jì)算的功能。事實(shí)上，早在上個(gè)世紀(jì)，這樣的光計(jì)算機(jī)就已問世。但光學(xué)元器件的體積往往較大，光路縮小尚且困難，更別提要集成到芯片級(jí)別。這使得光計(jì)算機(jī)大規(guī)模替代電子計(jì)算機(jī)成為一紙空談。

　　這些暫時(shí)無法解決的障礙讓大家冷靜下來。因此科學(xué)家逐漸將精力轉(zhuǎn)向挖掘電子計(jì)算機(jī)潛力或研究量子計(jì)算機(jī)等方面，全光計(jì)算機(jī)研究的熱度稍減。也有科學(xué)家提出，其實(shí)不必拘泥于芯片級(jí)別的全光計(jì)算機(jī)，可以在仍然使用半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)上，將外圍電子設(shè)備逐步更換為光子設(shè)備，大力發(fā)展光互連技術(shù)，直至實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)的光互連，即制成全光芯片。

　　隨著加工技術(shù)的發(fā)展和材料學(xué)的進(jìn)步，近十年來，光子計(jì)算機(jī)的熱度又有了明顯提高。尤其是微納加工技術(shù)的進(jìn)步，使得橫亙?cè)诠庾佑?jì)算機(jī)面前的一些阻礙得到了解決。

　　因此接下來給大家介紹光計(jì)算機(jī)研究中的一個(gè)實(shí)例，一種全新的、利用光學(xué)干涉原理制成的邏輯門。

　　光計(jì)算機(jī)中的全新的邏輯門

　　通常意義上大家熟悉的光的干涉是指三維空間中光的干涉作用。利用空間光干涉制成的邏輯門也有，但受限于龐大的體積，不可能做到芯片級(jí)集成。因此更有前景的方式是表面波干涉。

　　所謂的“表面波”，可以理解為一種只在二維平面內(nèi)傳輸?shù)奶厥夤鈭?chǎng)。

　　為了便于理解接下去要講的內(nèi)容，讓我們首先想象這樣一個(gè)場(chǎng)景。

　　有一天風(fēng)和日麗，陽光明媚。蝸牛老師帶著四胞胎蝸牛來到了操場(chǎng)上，玩一個(gè)游戲。

　　如上圖所示，他讓四只蝸牛在操場(chǎng)左側(cè)依次排開，在操場(chǎng)右側(cè)分別插了一支綠旗一支紅旗。游戲的規(guī)則是這樣的，在吹哨之后，四只蝸牛同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，A和B朝綠旗爬，C和D朝紅旗爬，路線隨意。

　　但是有一個(gè)奇葩的規(guī)定就是，每爬一步，蝸牛們就要記個(gè)數(shù)，并且是按照“0,1,0，-1,0,1,0，-1”這樣的循環(huán)來計(jì)數(shù)。在他們到達(dá)目的地后，分別報(bào)出自己目前的數(shù)字，A與B的數(shù)字相加，C與D的數(shù)字相加，然后取絕對(duì)值，看哪一組的數(shù)字大。

　　很容易可以看出，在可能出現(xiàn)的結(jié)果中，最大的數(shù)字是2，最小的數(shù)字是0。由于是四胞胎，因此假設(shè)這四只蝸牛每一步都是一模一樣長(zhǎng)的。因此最終的結(jié)果只與他們走過的相對(duì)路程有關(guān)。要想獲勝，只要規(guī)劃一下自己走過的路線即可。