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光计算机离我们究竟还有多远?

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摘要:计算机与电子计算机相比,有许多天然的优势。那么光计算机离我们还有多远?本文讲述了光计算研究中的一个实例,千里之行,始于足下,希望大家不盲目乐观,同时保持期待。

作者蜗牛君,中科院光学工程博士。

光计算机是什么?

光计算机,俗称光脑。上世纪,早在电子计算机刚刚兴起之时,科学家们便提出了光子计算机的概念。这是因为利用光进行计算,比用电子计算有着许多无可比拟的优点。

例如大家所熟悉的,光计算是具有并行性,即可以多路同时计算,结果互不干扰。这使得光路可以在空间中交叉却互不影响。在这一点上,电路难以做到。此外还有功耗低、信道密度高、容错性好之类的优点。一时间,“光脑”的呼声甚嚣尘上。

另外,光在模拟计算领域,还有着第一无二的优势。

通常我们所理解的计算机是指数字计算机,即利用逻辑门和0101的信息来进行计算的。但实际上除了数字计算机,还有一类不依赖逻辑门的计算机,叫做模拟计算机。电子式的模拟计算机直接利用电压和电流进行计算,目的是得到一个可供测试或实验的数值解,而不是解析解或准确解。此类计算机大家很陌生,是因为往往利用于工业、实验和科研领域,普通商用和家用计算机一般都是数字计算机。

在模拟运算领域,光有着独特的“上帝算法”。

例如,在许多领域需要运用傅里叶变换相关的计算,如卷积。数字计算机来计算傅里叶变换是非常消耗计算量的,这使得一些需要运用傅里叶变换作为基础运算的算法往往很耗时,如图像处理领域。而光通过透镜的过程,本身就是一次傅里叶变换的过程,这个过程几乎完全不需要时间。

光计算机离我们究竟还有多远?

早在上世纪,以光模拟计算为基础的计算机就已被发明出来,并在图像识别、图像处理等领域使用,甚至据说美国以前提出的星球大战计划,就打算发展这种计算机来识别高速飞行的导弹图像。

但这种计算机的应用面相对较窄,大众更需要的是集成化的、能够处理各种运算的数字式计算机。在这方面,光子计算机有着巨大的障碍。

在空间中利用光实现逻辑门并非不可能,将透镜、反射镜、棱镜、滤波器、光开关等器件加以设计组合,的确可以实现一些数字式计算的功能。事实上,早在上个世纪,这样的光计算机就已问世。但光学元器件的体积往往较大,光路缩小尚且困难,更别提要集成到芯片级别。这使得光计算机大规模替代电子计算机成为一纸空谈。

这些暂时无法解决的障碍让大家冷静下来。因此科学家逐渐将精力转向挖掘电子计算机潜力或研究量子计算机等方面,全光计算机研究的热度稍减。也有科学家提出,其实不必拘泥于芯片级别的全光计算机,可以在仍然使用半导体芯片的基础上,将外围电子设备逐步更换为光子设备,大力发展光互连技术,直至实现芯片内的光互连,即制成全光芯片。

随着加工技术的发展和材料学的进步,近十年来,光子计算机的热度又有了明显提高。尤其是微纳加工技术的进步,使得横亘在光子计算机面前的一些阻碍得到了解决。

因此接下来给大家介绍光计算机研究中的一个实例,一种全新的、利用光学干涉原理制成的逻辑门。

|光计算机中的全新的逻辑门

通常意义上大家熟悉的光的干涉是指三维空间中光的干涉作用。利用空间光干涉制成的逻辑门也有,但受限于庞大的体积,不可能做到芯片级集成。因此更有前景的方式是表面波干涉。

所谓的“表面波”,可以理解为一种只在二维平面内传输的特殊光场。

为了便于理解接下去要讲的内容,让我们首先想象这样一个场景。

有一天风和日丽,阳光明媚。蜗牛老师带着四胞胎蜗牛来到了操场上,玩一个游戏。

光计算机离我们究竟还有多远?

(图:作者自制)

如上图所示,他让四只蜗牛在操场左侧依次排开,在操场右侧分别插了一支绿旗一支红旗。游戏的规则是这样的,在吹哨之后,四只蜗牛同时开始运动,A和B朝绿旗爬,C和D朝红旗爬,路线随意。

但是有一个奇葩的规定就是,每爬一步,蜗牛们就要记个数,并且是按照“0,1,0,-1,0,1,0,-1”这样的循环来计数。在他们到达目的地后,分别报出自己目前的数字,A与B的数字相加,C与D的数字相加,然后取绝对值,看哪一组的数字大。

很容易可以看出,在可能出现的结果中,最大的数字是2,最小的数字是0。由于是四胞胎,因此假设这四只蜗牛每一步都是一模一样长的。因此最终的结果只与他们走过的相对路程有关。要想获胜,只要规划一下自己走过的路线即可。

这是一个非常粗糙的例子,便于理解表面波的干涉。在一个光滑表面上的某些位置激发出光场,作为光源。通过合理规划两个或多个光源发出的光走的路径,则可以通过控制他们之间的相位差,实现干涉相涨或相消的功能,实现光逻辑门,如下图所示:

光计算机离我们究竟还有多远?

这张图来自2012年的Nano Letters,是北京大学龚旗煌院士的研究团队做出的成果。他们在金膜表面通过加工一组表面波激发源,并利用沟槽作为表面光波导,来控制光的路径,波导宽度100nm,如下图所示。

光计算机离我们究竟还有多远?

然后利用两个或多个光源发出的光经过的路径长度不同,汇聚后相位差不同,产生相涨或相消的效果,得到了一系列逻辑门。

光计算机离我们究竟还有多远?

上图从a到c分别是或门、非门和同或门结构的电子显微镜照片。实验结果也非常出色。

下图是同或门的实验结果(截图我保留了原文图例,供有兴趣的同行阅读更多的信息):

光计算机离我们究竟还有多远?

下图是异或门的实验结果:

光计算机离我们究竟还有多远?

下图是或门的实验结果:

光计算机离我们究竟还有多远?

类似地,非门也非常容易实现。

当然了,单个的逻辑门离成型的计算机还差着十万八千里,但正所谓“千里之行始于足下”,这种在设计时就已在芯片级集成尺度的逻辑门,还是让以后商品化的全光芯片看到了一丝曙光

必须要指出的是,许多新闻媒体总是喜欢用耸人听闻的标题,类似于“光脑将面世”之类的词语,让大家盲目乐观。实际上就像本文提到的表面波逻辑门一样,只是科学家们又解决了一个关键性的问题而已,而这样的问题还有很多很多。因此近几年光计算机是不可能大规模应用,甚至取代电子计算机的,我们离家用的光计算机还有很远的距离。请大家在保持乐观的同时也要保持清醒的头脑,相信这一天终将会到来。

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