光子计算机

简要介绍

现有的计算机是由电流来传递和处理信息。电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快，但是，从发展高速率计算机来说，采用电流做输运信息载体还不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在基础上呈指数上升。

1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。

由于光子比电子速度快，光子计算机的运行速度可高达一万亿次。它的存贮量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。

许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

优势

不用电子，用光子做传递信息的载体，就有可能克服前面谈到的那些限制，制造出性能更优异的计算机。用光子做传递信息的载体有以下几方面的好处：

光子****不带电荷

它们之间不存在电磁场相互作用在自由空间中几束光平行传播、相互交叉传播，彼此之间不发生干扰，千万条光束可以同时穿越一只光学元件而不会相互影响。一只20×20c㎡的光学系统，能够提供5×10^5条并行传输信息通道；一只质量好的透镜能够提供10^8条信息通道。如果用光波导传输，光波导也可以相互穿越，只要它们的交叉角大于10°左右就不会有明显的交叉耦合。上述的性质又称光信号传输的并行性。

光子没有静止质量

它既可以在半真空中传播，也可以在介质中传播，传播速度比电子在导线中的传播速度快得多（约1000倍），也就是说，光子携带信息传递的速度比电子快计算机内的芯片之间用光子互连不受电磁干扰影响，互连的密度可以很高。在自由空间进行互连，每平方毫米面积上的连接线数目可以达到5万条，如果用光波导方式互连，可以有万条。所以，用光子做信息处理载体，会制造出运算速度极高的计算机，理论上可以达到每秒1000亿次，信息存储量达到10^18位。这种计算机称为光子计算机。

超高速的运算速度

光子计算机并行处理能力强，因而具有更高的运算速度。电子的传播速度是593km/s，而光子的传播速度却达3×10^5km/s，对于电子计算机来说，电子是信息的载体，它只能通过一些相互绝缘的导线来传导，即使在最佳的情况下，电子在固体中的运行速度也远远不如光速，尽管目前电子计算机运算速度不断提高，但它的能力极限还是有限的；此外，随着装配密度的不断提高，会使导体之间的电磁作用不断增强，散发的热量也在逐渐增加，从而制约了电子计算机的运行速度；而光子计算机的运行速度要比电子计算机快得多，对使用环境条件的要求也比电子计算机低得多。

超大规模的信息存储容量

与电子计算机相比，光子计算机具有超大规模的信息存储容量。光子计算机具有极为理想的光辐射源——激光器，光子的传导是可以不需要导线的，而且即使在相交的情况下，它们之间也不会产生丝毫的相互影响。光子计算机无导线传递信息的平行通道，其密度实际上是无限的，一枚五分硬币大小的枚镜，它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍。

能量消耗小，散发热量低

是一种节能型产品。光子计算机的驱动，只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分，这不仅降低了电能消耗，大大减少了机器散发的热量，而且为光子计算机的微型化和便携化研制，提供了便利的条件。科学家们正试验将传统的电子转换器和光子结合起来，制造一种“杂交”的计算机，这种计算机既能更快地处理信息，又能克服巨型电子计算机运行时内部过热的难题。

主要组成

光子计算机由光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备组成。有模拟式与数字式两类光子计算机。模拟式光子计算机的特点是直接利用光学图像的二维性，因而结构比较简单。这种光子计算机已用于卫星图片处理和模式识别工作。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。数字式光子计算机的结构方案有许多种，其中认为开发价值比较大的有两种，一种是采用电子计算机中已经成熟的结构，只是用光学逻辑元件取代电子逻辑元件，用光子互连代替导线互连。另外一种是全新的，以并行处理（光学神经网络）为基础的结构在本世纪80年代制成了光学信息处理机年数字光处理机也获得成功，它由激光器、透镜和棱镜等组成。虽然光子计算机已经成功，但在目前来说，光子计算机在功能以及运算速度等方面，还赶不上电子计算机，我们使用的主要还是电子计算机，今后也发展电子计算机。但是，从发展的潜力大小来说，显然光子计算机比电子计算机大得多，特别是在对图像处理、目标识别和人工智能等方面，光子计算机将来发挥的作用远比电子计算机大。

发展现状

美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光学计算机。它采用砷化镓光学开关，运算速度达每秒10亿次。尽管这台光学计算机与理论上的光学计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力。人类利用光缆传输数据已经有20多年的历史了，用光信号来存储信息的光盘技术也已广泛应用。然而要想制造真正的光子计算机，需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶体管这一基础元件，一般说来，科学家们虽然可以实现这样的装置，但是所需的条件如温度等仍较为苛刻，尚难以进入实用阶段。

美国马萨诸塞州的一家光学技术公司——光导发光元件系统公司正与美国航空航天局马歇尔航天中心合作开发用来制造光学计算机的“光”路板，实现对光子移动的控制，并有望在今取得突破。1999年5月，在美国西北大学工作的新加坡科学家何盛中领导的一个有20多人的研究小组利用纳米级的半导体激光器研制出世界上最小的光子定向耦合器，可以在宽度仅0.2至0.4微米的半导体层中对光进行分解和控制。

研发制造

巴斯大学（University of Bath）的物理学家正在进行一个项目，想研制出一种计算机，可以用光子代替传统的电子来运作。

这个项目由工程及物理科学研究理事会（Engineering and Physical Sciences Research Council）发起，总投资82万英镑。这项研究将推动光子物理的发展，同时也给了物理学家从原子级别观察世界的一次机会。

在过去四十来年里，摩尔定律一直在发挥它的威力，芯片厂商们将产品越做越小，以至于晶体管之间的相互作用会造成严重影响。于是工程师们开始将目光投注在光子方面，想利用光子来传输信息。

他们采用新型光子晶体光纤作为传输器材，比其传统光线来，新材料的损耗要小得多。“如果成功，这将是近五十年来计算机技术的一次革命”项目领导者Benabid博士说。

光子计算机 - 计算机展望

相信在看这篇文章的人对PC已经有一定的认识，对PC的过去我也就不多说了，摩尔定律完全掌握着我们可以遇见的未来，而摩尔定律失效将会出现在0.2nm工艺制作芯片的时候，因为那已经一个原子的直径了。但在这之前或之后很短的时间内光子计算机将会取代电子计算机，那时光子计算机就像我们现在使用的电子计算机一样流行，因此我对未来的PC的预测是建立在光子计算机的基础上：PC将会分为两个支线，一个是台式机，台式机不会被淘汰，它继续以高性能价格比占据着市场的大部分。现在的PDA将会是另一个分支的雏形，它甚至会将手提电脑淘汰，原因下文我说到。(下文所提到的计算机除特别指出，否则都是指光子计算机)

我先来说说未来的台式机，台式机不会因为PC的极度发展而消失，相反它比任何一种其他机型更能适应市场的发展需求，台式机将会以高性能，低价格作为发展之路，光子台式机的整个架构将会是以光信号取代现在的电信号，光信号经输入设备触发，经传送到CPU处理后，再按输出。其实原理跟现在的电子计算机一样，只不过所有通信都是有光信号完成。下面简单预测每个配件。

CPU：作为光子计算机核心，它仍然会作为一个独立产品来被开发和研究，至于它的材料应该会是一种存储量大，当规模生产之后会变得相当便宜的物质。

主板：或者说是光信号生成或传送器更加贴切一些，但这个物件可能会消失。在未来主板不再与现在的主板同等重要，因为光信号生成可能会在电源中完成，而光信号传送途径可以简单地透过CPU与其他物件的连接实现。这样主板就不再有存在的理由了。

硬盘与内存：光子计算机中硬盘会完成现在内存和硬盘的工作，内存将消失。现在计算机的原理被改变，处理器直接可以在高速硬盘中读取、运行、处理数据。但现有的光存储器的速度实在不可以实现，因此现在的光储存器在将来只会作为廉价的备份或复制转移设备。新的储存器将会是一种可透光的液态存储器，数据直接纪录在每个原子上，以高速运动的原子实现数据的高速读取，从而取代内存。

显卡与显示器：显卡将会与显示器集成，或消失，现在的液晶显示器是未来显示器的雏形，未来的显示器将会是无点距液态显示器，同样是像现在的显示器一样是超薄显示器，显示器面板上将会有一种受激会发光的物质，以每一原子为发光单位来显示图形，实现无点距显示。

现在未来的台式光子计算机已经基本成型了，其他配件也像现在的PC一样，按自己的需要DIY。未来PC的另一个分支就是未来的PDA，现在PDA已经是一个很好的概念了，只是它现在实在是处于发展的起步，难成气候。在理论上说，只有工艺足够高的话，所有原件都可以集成一块芯片上，于是未来的PDA会从这点出发，也高度集成性和方便携带性而成为PC的另一个分支。说它是PC的一个分支，因为它首先要集成手提电脑的全部功能，它还会集成现在的数码相机、数码摄像机、GPS等的功能，另外它还要实现即时通信功能，如同现在的手机一样。

未来的PDA大小应该比现在的手机小一点点，你可以见到PDA很可能跟现在的手机一样，只有简单的几个按键和一个不太大的彩色屏幕。但不要小看它，它将可以实现手提电脑的全部功能，PDA上将会集成一个投射屏幕投射器，投射屏幕能在空气中、不需要任何其他物品就可以形成影像。PDA可以完全实现声控功能，万一有需要时，它还可以透过投射器显示出来的一个全尺寸键盘，你可以在这个投射键盘上实现键盘输入。