光計算機離我們究竟有多遠？

　　光計算機是什么?光計算機，俗稱(chēng)光腦。上世紀，早在電子計算機剛剛興起之時(shí)，科學(xué)家們便提出了光子計算機的概念。這是因為利用光進(jìn)行計算，比用電子計算有著(zhù)許多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

　　例如大家所熟悉的，光計算是具有并行性，即可以多路同時(shí)計算，結果互不干擾。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、容錯性好之類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)。一時(shí)間，“光腦”的呼聲甚囂塵上。

　　另外，光在模擬計算領(lǐng)域，還有著(zhù)第一無(wú)二的優(yōu)勢。

　　通常我們所理解的計算機是指數字計算機，即利用邏輯門(mén)和0101的信息來(lái)進(jìn)行計算的。但實(shí)際上除了數字計算機，還有一類(lèi)不依賴(lài)邏輯門(mén)的計算機，叫做模擬計算機。電子式的模擬計算機直接利用電壓和電流進(jìn)行計算，目的是得到一個(gè)可供測試或實(shí)驗的數值解，而不是解析解或準確解。此類(lèi)計算機大家很陌生，是因為往往利用于工業(yè)、實(shí)驗和科研領(lǐng)域，普通商用和家用計算機一般都是數字計算機。

　　在模擬運算領(lǐng)域，光有著(zhù)獨特的“上帝算法”。

　　例如，在許多領(lǐng)域需要運用傅里葉變換相關(guān)的計算，如卷積。數字計算機來(lái)計算傅里葉變換是非常消耗計算量的，這使得一些需要運用傅里葉變換作為基礎運算的算法往往很耗時(shí)，如圖像處理領(lǐng)域。而光通過(guò)透鏡的過(guò)程，本身就是一次傅里葉變換的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程幾乎完全不需要時(shí)間。

　　早在上世紀，以光模擬計算為基礎的計算機就已被發(fā)明出來(lái)，并在圖像識別、圖像處理等領(lǐng)域使用，甚至據說(shuō)美國以前提出的星球大戰計劃，就打算發(fā)展這種計算機來(lái)識別高速飛行的導彈圖像。

　　但這種計算機的應用面相對較窄，大眾更需要的是集成化的、能夠處理各種運算的數字式計算機。在這方面，光子計算機有著(zhù)巨大的障礙。

　　在空間中利用光實(shí)現邏輯門(mén)并非不可能，將透鏡、反射鏡、棱鏡、濾波器、光開(kāi)關(guān)等器件加以設計組合，的確可以實(shí)現一些數字式計算的功能。事實(shí)上，早在上個(gè)世紀，這樣的光計算機就已問(wèn)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別。這使得光計算機大規模替代電子計算機成為一紙空談。

　　這些暫時(shí)無(wú)法解決的障礙讓大家冷靜下來(lái)。因此科學(xué)家逐漸將精力轉向挖掘電子計算機潛力或研究量子計算機等方面，全光計算機研究的熱度稍減。也有科學(xué)家提出，其實(shí)不必拘泥于芯片級別的全光計算機，可以在仍然使用半導體芯片的基礎上，將外圍電子設備逐步更換為光子設備，大力發(fā)展光互連技術(shù)，直至實(shí)現芯片內的光互連，即制成全光芯片。

　　隨著(zhù)加工技術(shù)的發(fā)展和材料學(xué)的進(jìn)步，近十年來(lái)，光子計算機的熱度又有了明顯提高。尤其是微納加工技術(shù)的進(jìn)步，使得橫亙在光子計算機面前的一些阻礙得到了解決。

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

　　光計算機中的全新的邏輯門(mén)

　　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(mén)也有，但受限于龐大的體積，不可能做到芯片級集成。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傳輸的特殊光場(chǎng)。

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

　　有一天風(fēng)和日麗，陽(yáng)光明媚。蝸牛老師帶著(zhù)四胞胎蝸牛來(lái)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)左側依次排開(kāi)，在操場(chǎng)右側分別插了一支綠旗一支紅旗。游戲的規則是這樣的，在吹哨之后，四只蝸牛同時(shí)開(kāi)始運動(dòng)，A和B朝綠旗爬，C和D朝紅旗爬，路線(xiàn)隨意。

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

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