光計算機晨曦初露

據Gartner Dataquest發(fā)布的一份調查和預測報告顯示，目前光計算機的許多關(guān)鍵性技術(shù)，諸如光的存儲技術(shù)、光存儲器以及各種光集成電路(OIC)等都已取得重大突破，繼電子計算機之后將出現新一代的光計算機。光計算機將在21世紀大行其道。

電子計算機是20世紀中期人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一；90年代中期，比電子計算機更先進(jìn)的光計算機的研究如火如荼。美國率先推出了世界上第一臺實(shí)驗性光計算機(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，在處理數據的功能上要比電子計算機大1000多倍，處理信息的速度為每秒10億次。

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

所謂光計算機，就是利用光作為信息的傳遞媒體，正如電子計算機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特的優(yōu)勢：它的速度永遠等于光速，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。光信號根本不需要導線(xiàn)，即使在光線(xiàn)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)全世界現有的全部電纜總和的300多倍。光計算機的智能水平也將遠遠超過(guò)電子計算機的智能水平。

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

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

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

三、光計算機的信息存儲量特別大；

四、光計算機抗干擾能力和對環(huán)境的適應性很強，對環(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、光計算機的容錯性強，光計算機有與人腦相似的容錯性，系統中如某一元件遭到損環(huán)或運算出現局部錯誤時(shí)，不會(huì )影響整個(gè)計算的最后結果。

在光計算機研制中新出現的一種趨勢是：科學(xué)家獨辟蹊徑，將傳統的電子轉換器和光子結合起來(lái)做試驗，以便研制成一種光、電雜交型計算機，即光電計算機，它能夠以更快的速度處理各種信息，能夠避免以往巨型計算機內部過(guò)熱的老大難問(wèn)題。

在研制光計算機過(guò)程中，科學(xué)家們找到了一種制造高速小型計算機的新方法，這種新方法對傳統的物理學(xué)定律提出了挑戰。美國加州帕薩迪納航空和宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗室(JPL)和英國威爾士大學(xué)的科學(xué)家們日前發(fā)現，“纏結”在一起的光子對作為一個(gè)獨立的單元，其效率為單個(gè)光子的兩倍。借助這種“纏結”方法，可以使用傳統的激光源生產(chǎn)出高速小型計算機的芯片。

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

以往一般只能采用波長(cháng)為248nm的光來(lái)生產(chǎn)晶體管，而利用光子“纏結”的方法，則可以用波長(cháng)為248nm的現有激光源生產(chǎn)出只有在1/4原波長(cháng)(62nm)或者目前的極限波長(cháng)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”光子。在這種“量子描刻術(shù)”中，一對“纏結”光子可從兩條路經(jīng)進(jìn)入一個(gè)裝置。當兩個(gè)光子運行到一起形成一個(gè)單位(光子對)后，人們無(wú)法確定這個(gè)光子對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(zhù)自身路徑運行一段時(shí)間后，兩個(gè)光子便覆蓋了特定晶體的表面。

由于構成每個(gè)“波浪”的光子是“纏結”的，所以將光子“波浪”疊加在一起后，其產(chǎn)生的效應與波長(cháng)一半的單個(gè)光子產(chǎn)生的效應相當。也就是說(shuō)，采用“纏結”的光子可生產(chǎn)出尺寸僅為常規芯片一半的芯片?！袄p結”光子為高速計算機的開(kāi)發(fā)奠定了基礎。

英國薩里大學(xué)凱文·霍姆伍德教授領(lǐng)導的一個(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(zhù)未來(lái)的計算機芯片將以光而不是用電來(lái)傳送信息。根據摩爾定律，計算機芯片的性能每18個(gè)月就會(huì )翻番。隨著(zhù)計算機芯片的不斷微型化，芯片內傳輸電信號的線(xiàn)路做得越來(lái)越細小，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(chēng)，這一難題不解決，計算機芯片很可能10年內就會(huì )達到極限，從而使計算機的發(fā)展受到很大限制。光芯片的傳輸線(xiàn)路比電子線(xiàn)路小得多，因此，用光芯片制造的計算機將比電子計算機體積更小，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的微小粒子，其性能就會(huì )改變。實(shí)驗中，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)形區域，當電荷載體限制于這種狹小的區域時(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備稍加改造即可。這種技術(shù)的優(yōu)勢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)界認為這是一項重大突破，此舉為開(kāi)發(fā)光計算機創(chuàng )造了堅實(shí)的基礎。借助1984 年發(fā)現的有關(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(cháng)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構物質(zhì)，用三維硅結構物質(zhì)制造的光芯片，能夠有效地控制光子的運動(dòng)，從而使科學(xué)家們在研制采用光來(lái)存儲和處理信息的計算機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)通信光電子信號傳輸的新理論，按照這種理論，一束光可以引導另一束光而不需要借助于光纖?？茖W(xué)家們指出，兩束強光可以互相吸引、排斥或者彎曲，這種新理論有望成為研制光計算機的基礎理論。澳大利亞科學(xué)家指出，將兩束強光盡可能地靠近，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，則可使一束強光束引導另外一束強光束。當材料的折射率提高時(shí)，光束速度會(huì )減慢，從而導致光束彎曲。澳大利亞科學(xué)家從事這項研究的目的是為了研制全光器件，他們的研究結果表明，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，這一研究成果可以應用于研制光計算機的光開(kāi)關(guān)或者邏輯門(mén)電路，為光計算機的研制鋪平道路?！?/font>