光計(jì)算機(jī)晨曦初露

據(jù)Gartner Dataquest發(fā)布的一份調(diào)查和預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，目前光計(jì)算機(jī)的許多關(guān)鍵性技術(shù)，諸如光的存儲(chǔ)技術(shù)、光存儲(chǔ)器以及各種光集成電路(OIC)等都已取得重大突破，繼電子計(jì)算機(jī)之后將出現(xiàn)新一代的光計(jì)算機(jī)。光計(jì)算機(jī)將在21世紀(jì)大行其道。

電子計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)中期人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一；90年代中期，比電子計(jì)算機(jī)更先進(jìn)的光計(jì)算機(jī)的研究如火如荼。美國(guó)率先推出了世界上第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性光計(jì)算機(jī)(砷化鎵光開(kāi)關(guān))，其最大特點(diǎn)是用光處理信息，而不是用電。因此，在處理數(shù)據(jù)的功能上要比電子計(jì)算機(jī)大1000多倍，處理信息的速度為每秒10億次。

目前，在光計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域，最引人注目的研究成果是由歐共體和法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)以及意大利等國(guó)60多名科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)成功的世界上第一臺(tái)光計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度要比目前速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000多倍，并準(zhǔn)確無(wú)誤。

所謂光計(jì)算機(jī)，就是利用光作為信息的傳遞媒體，正如電子計(jì)算機(jī)利用電作為信息的傳遞媒體一樣。光子同電子相比具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：它的速度永遠(yuǎn)等于光速，具有電子所不具備的頻率及偏振等特征，從而使傳載信息的能力大得多。光信號(hào)根本不需要導(dǎo)線，即使在光線交匯時(shí)也不會(huì)互相干擾造成影響。一塊直徑僅2cm的光棱鏡，其通過(guò)的信息比特率可以超過(guò)全世界現(xiàn)有的全部電纜總和的300多倍。光計(jì)算機(jī)的智能水平也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子計(jì)算機(jī)的智能水平。

光計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)的工作原理不同，電子計(jì)算機(jī)借助電荷在線路中的流動(dòng)來(lái)處理各種輸入信息，而光計(jì)算機(jī)則借助激光束進(jìn)入由反射鏡和透鏡組成的陣列中對(duì)信息進(jìn)行處理。光計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)的相似之處在于光計(jì)算機(jī)也是靠產(chǎn)生一系列的邏輯運(yùn)算操作來(lái)處理各種輸入信息和解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題的。與電子計(jì)算機(jī)比較，光計(jì)算機(jī)具有一系列的優(yōu)勢(shì)：

一、光計(jì)算機(jī)的并行處理能力特別，具有超高速的運(yùn)算速度，這是電子計(jì)算機(jī)望塵莫及的。由于電子的傳播速度僅為每秒593公里，而光計(jì)算機(jī)中的光子的傳播速度高達(dá)每秒30萬(wàn)公里，相當(dāng)于電子計(jì)算機(jī)中的電子速度的500多倍；

二、在對(duì)工作環(huán)境的要求方面，超高速的電子計(jì)算機(jī)只能在低溫條件下工作，而光計(jì)算機(jī)在室溫下能夠正常工作；

三、光計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量特別大；

四、光計(jì)算機(jī)抗干擾能力和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)，對(duì)環(huán)境條件的要求不高，在任何惡劣環(huán)境條件下都可以正常工作；

五、光計(jì)算機(jī)的容錯(cuò)性強(qiáng)，光計(jì)算機(jī)有與人腦相似的容錯(cuò)性，系統(tǒng)中如某一元件遭到損環(huán)或運(yùn)算出現(xiàn)局部錯(cuò)誤時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)計(jì)算的最后結(jié)果。

在光計(jì)算機(jī)研制中新出現(xiàn)的一種趨勢(shì)是：科學(xué)家獨(dú)辟蹊徑，將傳統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)換器和光子結(jié)合起來(lái)做試驗(yàn)，以便研制成一種光、電雜交型計(jì)算機(jī)，即光電計(jì)算機(jī)，它能夠以更快的速度處理各種信息，能夠避免以往巨型計(jì)算機(jī)內(nèi)部過(guò)熱的老大難問(wèn)題。

在研制光計(jì)算機(jī)過(guò)程中，科學(xué)家們找到了一種制造高速小型計(jì)算機(jī)的新方法，這種新方法對(duì)傳統(tǒng)的物理學(xué)定律提出了挑戰(zhàn)。美國(guó)加州帕薩迪納航空和宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)和英國(guó)威爾士大學(xué)的科學(xué)家們?nèi)涨鞍l(fā)現(xiàn)，“纏結(jié)”在一起的光子對(duì)作為一個(gè)獨(dú)立的單元，其效率為單個(gè)光子的兩倍。借助這種“纏結(jié)”方法，可以使用傳統(tǒng)的激光源生產(chǎn)出高速小型計(jì)算機(jī)的芯片。

在傳統(tǒng)芯片的生產(chǎn)過(guò)程中，采用“光描刻術(shù)”讓光子束來(lái)“描刻”計(jì)算機(jī)芯片。這些芯片實(shí)際上是由互相連結(jié)的雙位開(kāi)關(guān)(晶體管)組成的。當(dāng)電流通過(guò)晶體管之后，計(jì)算機(jī)便具備了計(jì)算機(jī)功能；將數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管壓縮排列成為薄型芯片時(shí)，電流的流程變短，從而使得計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度加快。

以往一般只能采用波長(zhǎng)為248nm的光來(lái)生產(chǎn)晶體管，而利用光子“纏結(jié)”的方法，則可以用波長(zhǎng)為248nm的現(xiàn)有激光源生產(chǎn)出只有在1/4原波長(zhǎng)(62nm)或者目前的極限波長(zhǎng)124nm的條件下才能生產(chǎn)出的芯片尺寸。具體操作時(shí)，科學(xué)家讓一束光穿過(guò)一種特定晶體，產(chǎn)生出“纏結(jié)”光子。在這種“量子描刻術(shù)”中，一對(duì)“纏結(jié)”光子可從兩條路經(jīng)進(jìn)入一個(gè)裝置。當(dāng)兩個(gè)光子運(yùn)行到一起形成一個(gè)單位(光子對(duì))后，人們無(wú)法確定這個(gè)光子對(duì)究竟是選擇哪條路徑進(jìn)入該裝置的。然而，在奇特的量子力學(xué)中，光子對(duì)實(shí)際上是同時(shí)從兩條路徑進(jìn)入該裝置的。在每條路徑上，光子如同起伏不定的波浪，沿著自身路徑運(yùn)行一段時(shí)間后，兩個(gè)光子便覆蓋了特定晶體的表面。

由于構(gòu)成每個(gè)“波浪”的光子是“纏結(jié)”的，所以將光子“波浪”疊加在一起后，其產(chǎn)生的效應(yīng)與波長(zhǎng)一半的單個(gè)光子產(chǎn)生的效應(yīng)相當(dāng)。也就是說(shuō)，采用“纏結(jié)”的光子可生產(chǎn)出尺寸僅為常規(guī)芯片一半的芯片。“纏結(jié)”光子為高速計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

英國(guó)薩里大學(xué)凱文·霍姆伍德教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，成功地在硅片上開(kāi)發(fā)出光束，這一突破性成果意味著未來(lái)的計(jì)算機(jī)芯片將以光而不是用電來(lái)傳送信息。根據(jù)摩爾定律，計(jì)算機(jī)芯片的性能每18個(gè)月就會(huì)翻番。隨著計(jì)算機(jī)芯片的不斷微型化，芯片內(nèi)傳輸電信號(hào)的線路做得越來(lái)越細(xì)小，面臨的難度也越來(lái)越大，這成了制約芯片發(fā)展的一大障礙?？茖W(xué)家稱，這一難題不解決，計(jì)算機(jī)芯片很可能10年內(nèi)就會(huì)達(dá)到極限，從而使計(jì)算機(jī)的發(fā)展受到很大限制。光芯片的傳輸線路比電子線路小得多，因此，用光芯片制造的計(jì)算機(jī)將比電子計(jì)算機(jī)體積更小，速度更快，具有廣闊的發(fā)展前景。

由于目前的發(fā)光器件很難安裝到硅電路中去，所以影響了芯片的小型化和運(yùn)行速度。理想的方法是用硅晶片本身制造發(fā)光器件。硅通常不能有效地發(fā)光，但如將其分解為納米級(jí)的微小粒子，其性能就會(huì)改變。實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家不是直接使用硅晶體，而是用硼離子轟擊硅薄膜，使其形成可限制電荷載體的環(huán)形區(qū)域，當(dāng)電荷載體限制于這種狹小的區(qū)域時(shí)，阻礙其發(fā)光的因素即受到抑制，從而發(fā)出光束。

科學(xué)家們指出，使用現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)能夠使芯片發(fā)光，芯片制造商只需將昂貴的設(shè)備稍加改造即可。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在室溫下操作，更適用于PC，從而能夠大大加速通信光電子業(yè)的發(fā)展。

加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家小組日前新研制成功一種光芯片，業(yè)界認(rèn)為這是一項(xiàng)重大突破，此舉為開(kāi)發(fā)光計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。借助1984 年發(fā)現(xiàn)的有關(guān)用硅晶片制造的光芯片捕獲光的新理論，從1999年開(kāi)始，他們采用貓眼石晶體作為襯底來(lái)生長(zhǎng)硅晶體，研究開(kāi)發(fā)出相關(guān)的化學(xué)工藝，成功地研制出能夠有效地捕獲光的三維硅結(jié)構(gòu)物質(zhì)，用三維硅結(jié)構(gòu)物質(zhì)制造的光芯片，能夠有效地控制光子的運(yùn)動(dòng)，從而使科學(xué)家們?cè)谘兄撇捎霉鈦?lái)存儲(chǔ)和處理信息的計(jì)算機(jī)芯片方面獲得了令人鼓舞的進(jìn)展。

澳大利亞科學(xué)家提出了一種有關(guān)通信光電子信號(hào)傳輸?shù)男吕碚?，按照這種理論，一束光可以引導(dǎo)另一束光而不需要借助于光纖?？茖W(xué)家們指出，兩束強(qiáng)光可以互相吸引、排斥或者彎曲，這種新理論有望成為研制光計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論。澳大利亞科學(xué)家指出，將兩束強(qiáng)光盡可能地靠近，兩束光的速度就會(huì)產(chǎn)生變化而使光發(fā)生彎曲，兩束平行的光束會(huì)因其相位相同或者相反而互相吸引或者互相排斥，當(dāng)它們的相位鎖定時(shí)呈螺旋狀，就如同光束在光纖中被捕獲時(shí)的狀態(tài)一樣。如果改變光束通路材料的折射率，則可使一束強(qiáng)光束引導(dǎo)另外一束強(qiáng)光束。當(dāng)材料的折射率提高時(shí)，光束速度會(huì)減慢，從而導(dǎo)致光束彎曲。澳大利亞科學(xué)家從事這項(xiàng)研究的目的是為了研制全光器件，他們的研究結(jié)果表明，通過(guò)改變光束通路材料的折射率，可以使一束光束被另外一束光束接通、斷開(kāi)或者引導(dǎo)，這一研究成果可以應(yīng)用于研制光計(jì)算機(jī)的光開(kāi)關(guān)或者邏輯門(mén)電路，為光計(jì)算機(jī)的研制鋪平道路?！?/font>