[ 摘要 ] 所謂 " 光腦 "，其實是對應于電腦而言，是光子計算機的簡稱。光子計算機是一種由光信號進行數(shù)字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機，比超級計算機快一萬倍。

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面向未來的光子計算機

出品：科普中國

制作：幻彩寶寶科普創(chuàng)新公社

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

導言：隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會已經(jīng)邁入了計算機時代，計算機和互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)與人們的日常工作、學習和生活息息相關(guān)。我們享受計算機帶來的開放與互動的同時，也忍受著電腦處理速度慢、經(jīng)?？ㄗ∩踔了罊C的煩惱；散熱不良、定時清理電腦的煩惱；將笨重的筆記本電腦背來背去、勞累異常的煩惱。

有沒有一種計算機是超常的？能夠讓人甩掉這些煩惱？普通人夢寐以求的設(shè)備會成為現(xiàn)實嗎？將來的移動設(shè)備能否超越目前最快的超級計算機？" 光腦 " 給出了答案。

何謂 " 光腦 "？

所謂 " 光腦 "，其實是對應于電腦而言，是光子計算機的簡稱。光子計算機是一種由光信號進行數(shù)字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。不同于電子計算機對電子的控制，光子計算機的運行依靠激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設(shè)備對光子的控制完成光運算。

性能：比超級計算機快一萬倍

用光子做傳遞信息的載體，可以制造出性能更優(yōu)異的 " 光腦 "。它的性能優(yōu)越性體現(xiàn)在：

1. 并行傳輸

由于目前電子計算機的 CPU（中央處理器，相當于人的大腦）采用串行的處理方式，直接導致其工作時間實際只占了總時間的三分之一，那么它的大部分時間用來做什么了呢？

傳輸數(shù)據(jù)，也就是我們所說的緩存。

試想一下，本來性能就一般的家用電腦大部分時間用來休息，這不是要氣死本寶寶嗎？幸好，" 光腦 " 是通過光子進行數(shù)據(jù)傳播。光子彼此之間沒有干擾，齊頭并進。當電子排著長隊一個一個的緩慢通過處理器到達緩存時，光子已經(jīng)肩并肩的開著光速飛機飛馳而過了。

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光子傳輸?shù)牟⑿懈咚傩?/p>

2. 超高速運算

光子計算機并行處理能力強，因而具有更高的運算速度。

電子的傳播速度是 593km/s，而光子的傳播速度卻達 3×10^5km/s。對于電子計算機來說，電子是信息的載體，它只能通過一些相互絕緣的導線來傳導，即使在最佳的情況下，電子在固體中的運行速度也遠遠不如光速，盡管目前電子計算機運算速度不斷提高，但它的能力極限還是有限的。

一旦光子計算機成功問世，將會比現(xiàn)在的超級計算機快 1000~10000 倍。

此外，電子計算機隨著裝配密度的不斷提高，會使導體之間的電磁作用不斷增強，散發(fā)的熱量也在逐漸增加，從而制約運行速度。而光子計算機就沒有這種煩惱。

3. 超大規(guī)模的信息存儲容量

與電子計算機相比，光子計算機具有超大規(guī)模的信息存儲容量。光子計算機具有極為理想的光輻射源——激光器，光子的傳導是可以不需要導線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會產(chǎn)生絲毫的相互影響。光子計算機無導線傳遞信息的平行通道，其密度實際上是無限的，一枚五分硬幣大小的枚鏡，它的信息通過能力竟是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

4. 能量消耗小，散發(fā)熱量低

光子計算機是一種節(jié)能型產(chǎn)品。光子計算機的驅(qū)動，只需要同類規(guī)格的電子計算機驅(qū)動能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機器散發(fā)的熱量，而且為光子計算機的微型化和便攜化研制，提供了便利的條件。

" 光腦 " 的靈感竟是來自蝴蝶

正如牛頓從樹上掉下的蘋果最終悟出著名的萬有引力定律，瓦特從沸騰的水中得到靈感發(fā)明蒸汽機，科學家開發(fā) " 光腦 " 的靈感也是來自于大自然。

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科學家發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀漂亮的顏色既不是染料色也不是顏料色，而是一種新奇的色彩——結(jié)構(gòu)色彩。

這種結(jié)構(gòu)色彩飽和度高、光澤絢麗、環(huán)境友好且永不褪色。蝴蝶翅膀中特定的周期性結(jié)構(gòu)（如上圖）對光具有調(diào)控性能，使某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播而被散射回來。人們將這種具有特定周期性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱為光子晶體。

類似于電子計算機中半導體元件可以對電子選擇性通過，光子計算機中的光子晶體也可以作為光的開關(guān)，實現(xiàn) "0 和 1" 的邏輯運算。光子計算機中的關(guān)鍵部件激光器（如下圖）就是通過這一原理實現(xiàn)的。

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何時 " 飛入尋常百姓家 "？

光子計算機由光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設(shè)備組成。有模擬式與數(shù)字式兩類光子計算機。

模擬式光子計算機的特點是直接利用光學圖像的二維性，因而結(jié)構(gòu)比較簡單。這種光子計算機已用于衛(wèi)星圖片處理和模式識別工作。

數(shù)字式光子計算機的結(jié)構(gòu)方案有許多種，其中被認為開發(fā)價值比較大的有兩種，一種是采用電子計算機中已經(jīng)成熟的結(jié)構(gòu)，只是用光學邏輯元件取代電子邏輯元件，用光子互連代替導線互連；另外一種是全新的，以并行處理（光學神經(jīng)網(wǎng)絡）為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。

光子計算機已經(jīng)成功研制并且取得一系列新的進展，例如來自美國杜克大學的計算機電子工程師團隊研發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)超快速開關(guān)的 LED 燈管，每秒鐘能夠開關(guān) 900 億次的性能使得它能夠取代之前的 LED 技術(shù)，構(gòu)成光子計算機的硬件基礎(chǔ)。

雖然目前我們使用的是電子計算機，但是從發(fā)展的潛力來說，顯然光子計算機比電子計算機大得多，特別是在對圖像處理、目標識別和人工智能等方面，光子計算機將來發(fā)揮的作用遠比電子計算機大。

結(jié)語：具有并行傳輸、超高速運算、超大規(guī)模的信息存儲容量、能量消耗小以及散發(fā)熱量低等優(yōu)點的 " 光腦 " 是未來最有潛力替代電腦的選手。相信在不久的將來，" 光腦 " 會從軍用走向民用，成為人們?nèi)粘Ｉ畹陌閭H。