淺談光子計算機的現狀與發展

摘要：當今的計算機科學技術正在以迅雷不及掩耳之勢迅速發展，但是任何一種技術的發展都會受到它自身固有的物理特性限制，電子計算機也不例外，可以說隨著巨大規模集成電路的日趨成熟，一塊芯片上所能集成的電子元件已幾近飽和，即使理論上能夠有所突破，但制造工藝已不可能有質的突破---根據經典電磁學理論，當電子線路過密就不可避免的產生相互間電磁干擾，并且電子在電路的傳輸過程中會產生大量熱能，能源消耗極大，數據必須光電轉換才能進入光纖網絡。這應該就是電子計算機硬件的發展瓶頸，所以光子計算機技術就是在這種背景下應運而生。雖然目前還很不成熟，但發展前景非常廣闊。關鍵詞：光子計算機 存在問題 優點 前景 中圖分類號: G623.58 文獻標識碼：Ａ 文章編號：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

光子計算機是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。光子計算機的基本組成部件是集成光路，要有激光器、透鏡和核鏡。

由于光子比電子速度快，電子在運動過程中，由于會遇到一些雜質原子的阻擋，需要克服由些產生的阻力。所以，實際上計算機中電子運動速度比光速低得多。光速是每秒鐘30萬千米，大約比計算機中電子的運動速度快1000倍，因此預計有可能使運算速度提高數千倍。它的存貯量是現代計算機的幾萬倍，還可以對語言、圖形和手勢進行識別與合成。

現有的計算機是由電子來傳遞和處理信息。電場在導線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運載工具運動的速度都快，但是，從發展高速率計算機來說，采用電子做輸運信息載體還不能滿足快的要求，提高計算機運算速度也明顯表現出能力有限了。然而光子計算機用光子作為信息傳遞的載體，光互連代替導線互連，電子硬件用光硬件代替，電運算代替光運算，利用激光來傳送信號，且由光導纖維與各種光學元件等構成集成光路，從而進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長、頻率、偏振態及相位的光代表不同的數據，這遠勝于電子計算機中通過電子“0”、“1”狀態變化進行的二進制運算，光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。

光子計算機由光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備組成。有模擬式與數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，因而結構比較簡單。這種光子計算機現在已用于衛星圖片處理和模式識別工作。美國以前提出的星球大戰計劃，就打算發展這種計算機來識別高速飛行的導彈圖像。數字式光子計算機的結構方案有許多種，其中認為開發價值比較大的有兩種，一種是采用電子計算機中已經成熟的結構，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（光學神經網絡）為基礎的結構在本世紀80年代制成了光學信息處理機年數字光處理機也獲得成功，它由激光器、透鏡和棱鏡等組成。雖然光子計算機已經成功，但在目前來說，光子計算機在功能以及運算速度等方面，還趕不上電子計算機，我們使用的主要還是電子計算機，今后也發展電子計算機。

我們知道，任何金屬導線都存在電阻和電容。從電磁學基本知識也知道，電阻和電容的結合會給在導線中傳播的電子產生“阻力”，減低它在導線中傳播的速度，這個現象又稱時鐘扭曲。由于存在這樣一些問題，相應地也就出現這樣的后果：電子對迅速的外來變化反應“遲鈍”。當傳遞信息的載波頻率很高時，在導線上傳遞的電信號實際上跟不上要傳遞的信息信號變化。結果呢，就如同相聲演員念繞口令，念得過快，舌頭反應跟不上，念錯了或走了調那個樣子，被傳遞的信號要發生畸變，計算機的運算發生錯誤。其次，電子計算機的中央處理機雖然能夠迅速處理數據，主存貯器能夠吞吐大量的數據。但因為所有的數據信號都必須經過總線傳遞，而總線的電流密度如果太大，產生的電磁干擾也大。因此，電子計算機也會出現類似于高速公路交匯口由于狹窄，車輛通行速率受限制的現象，計算機和運算速度也受到了限制。還有，計算機使用的集成電子器件，它們因為受量子效應干擾，集成密度受到限制，理論上的集成密度最高為每塊芯片10億個晶體管（在實際上達到的數量比這個數還要低許多）。

不用電子，用光子做傳遞信息的載體，就有可能克服前面談到的那些限制，制造出性能更優異的計算機。用光子做傳遞信息的載體有以下幾方面的好處：

1 光子沒有靜止質量

它既可以在真空中傳播，也可以在介質中傳播，傳播速度比電子在導線中的傳播速度快得多（約1000倍），也就是說，光子攜帶信息傳遞的速度比電子快計算機內的芯片之間用光子互連不受電磁干擾影響，互連的密度可以很高。在自由空間進行互連，每平方毫米面積上的連接線數目可以達到5萬條，如果用光波導方式互連，可以有萬條。

2 光子不帶電荷 千萬條光束可以同時穿越一只光學元件而不會相互影響。一只20×20c㎡的光學系統，能夠提供5×10^5條并行傳輸信息通道；一只質量好的透鏡能夠提供10^8條信息通道。如果用光波導傳輸，光波導也可以相互穿越，只要它們的交叉角大于10°左右就不會有明顯的交叉耦合。上述的性質又稱光信號傳輸的并行性。

3 超大規模的信息存儲容量

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有電話電纜通道的許多倍。

4 超高速的運算速度

光子計算機并行處理能力強，因而具有更高的運算速度。

5 能量消耗小，散發熱量低

是一種節能型產品。光子計算機的驅動，只需要同類規格的電子計算機驅動能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機器散發的熱量，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。

光子技術不會很快就用在一般的臺式計算機中，但對巨型計算機來說則是另外一回事。很多巨型計算機使用一種稱為并行處理的技術，在這種計算機中，成百甚至成千的芯片聯合處理一頂任務。在當前的電子系統中，成問題的是通信速度，而使用一堆激光器就能輕而易舉地解決這個問題。

雖然可合用電子設備和光子設備以解決通信瓶頸，但是信號在兩者之間轉換要花時間。另外，激發電子開關也需要時間。為了達到最大速度，最好是一個電子設備也不使用。隨著光子在系統內飛行，所有的計算都由它們做出。這些計算機所需的是一種光開關，這種開關要和在硅芯片上的電子開關一樣小。

巴斯大學的物理學家正在進行一個項目，想研制出一種計算機，可以用光子代替傳統的電子來運作。

這個項目由工程及物理科學研究理事會發起，總投資82萬英鎊。這項研究將推動光子物理的發展，同時也給了物理學家從原子級別觀察世界的一次機會。 他們采用新型光子晶體光纖作為傳輸器材，比其傳統光線來，新材料的損耗要小得多。“如果成功，這將是近五十年來計算機技術的一次革命”項目領導者Benabid博士說。

參考文獻[1] 高峻，裴東，王洪明.漫談未來的新型計算機[N].科學時報.2000.[2] 周家高.神奇的光子計算機[N].華夏時報.2001.