光計算機是什么?

光計算機，俗稱光腦。上世紀，早在電子計算機剛剛興起之時，科學家們便提出了光子計算機的概念。這是因為利用光進行計算，比用電子計算有著許多無可比擬的優點。

例如大家所熟悉的，光計算是具有并行性，即可以多路同時計算，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、容錯性好之類的優點。一時間，“光腦”的呼聲甚囂塵上。

另外，光在模擬計算領域，還有著第一無二的優勢。

通常我們所理解的計算機是指數字計算機，即利用邏輯門和0101的信息來進行計算的。但實際上除了數字計算機，還有一類不依賴邏輯門的計算機，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行計算，目的是得到一個可供測試或實驗的數值解，而不是解析解或準確解。此類計算機大家很陌生，是因為往往利用于工業、實驗和科研領域，普通商用和家用計算機一般都是數字計算機。

在模擬運算領域，光有著獨特的“上帝算法”。

例如，在許多領域需要運用傅里葉變換相關的計算，如卷積。數字計算機來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，如圖像處理領域。而光通過透鏡的過程，本身就是一次傅里葉變換的過程，這個過程幾乎完全不需要時間。

早在上世紀，以光模擬計算為基礎的計算機就已被發明出來，并在

圖像識別、圖像處理等領域使用，甚至據說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。

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，光子計算機有著巨大的障礙。

在空間中利用光實現邏輯門并非不可能，將透鏡、反射鏡、棱鏡、濾波器、光開關等器件加以設計組合，的確可以實現一些數字式計算的功能。事實上，早在上個世紀，這樣的光計算機就已問世。但光學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。

這些暫時無法解決的障礙讓大家冷靜下來。因此科學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。也有科學家提出，其實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，大力發展光互連技術，直至實現芯片內的光互連，即制成全光芯片。

隨著加工技術的發展和材料學的進步，近十年來，光子計算機的熱度又有了明顯提高。尤其是微納加工技術的進步，使得橫亙在光子計算機面前的一些阻礙得到了解決。

因此接下來給大家介紹光計算機研究中的一個實例，一種全新的、利用光學干涉原理制成的邏輯門。

光計算機中的全新的邏輯門

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。

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場景。

有一天風和日麗，陽光明媚。蝸牛老師帶著四胞胎蝸牛來到了操場上，玩一個游戲。

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(圖：作者自制)

如上圖所示，他讓四只蝸牛在操場左側依次排開，在操場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，四只蝸牛同時開始運動，A和B朝綠旗爬，C和D朝紅旗爬，路線隨意。

但是有一個奇葩的規定就是，每爬一步，蝸牛們就要記個數，并且是按照“0,1,0，-1,0,1,0，-1”這樣的循環來計數。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的。因此最終的結果只與他們走過的相對路程有關。要想獲勝，只要規劃一下自己走過的路線即可。

這是一個非常粗糙的例子，便于理解表面波的干涉。在一個光滑表面上的某些位置激發出光場，作為光源。通過合理規劃兩個或多個光源發出的光走的路徑，則可以通過控制他們之間的相位差，實現干涉相漲或相消的功能，實現光邏輯門，如下圖所示：

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這張圖來自2012年的Nano Letters，是北京大學龔旗煌院士的研究團隊做出的成果。他們在金膜表面通過加工一組表面波激發源，并利用溝槽作為表面光波導，來控制光的路徑，波導寬度100nm，如下圖所示。

然后利用兩個或多個光源發出的光經過的路徑長度不同，匯聚后相位差不同，產生相漲或相消的效果，得到了一系列邏輯門。

上圖從a到c分別是或門、非門和同或門結構的電子顯微鏡照片。實驗結果也非常出色。

下圖是同或門的實驗結果(截圖我保留了原文圖例，供有興趣的同行閱讀更多的信息)：

下圖是異或門的實驗結果：

類似地，非門也非常容易實現。當然了，單個的邏輯門離成型的計算機還差著十萬八千里，但正所謂“千里之行始于足下”，這種在設計時就已在芯片級集成尺度的邏輯門，還是讓以后商品化的全光芯片看到了一絲曙光。

必須要指出的是，許多新聞媒體總是喜歡用聳人聽聞的標題，類似于“光腦將面世”之類的詞語，讓大家盲目樂觀。實際上就像本文提到的表面波邏輯門一樣，只是科學家們又解決了一個關鍵性的問題而已，而這樣的問題還有很多很多。因此近幾年光計算機是不可能大規模應用，甚至取代電子計算機的，我們離家用的光計算機還有很遠的距離。請大家在保持樂觀的同時也要保持清醒的頭腦，相信這一天終將會到來。