光學計算機

光學計算機是以光子輸送信息的一種新型在研發中的一種計算機。

電子計算機是以電子輸送信息，而光計算機是以光子輸送信息。
計算機問世後，科學家們自然而然地想到使用光元素器件來製造光計算機。可是，設計和進展緩慢，一直沒有結果。於是，當時世界上的光學權威，美國史丹福大學的卓澤夫．古德曼教授認為，以最樂觀的估計，光計算機的誕生也要遲至21世紀。 1986年，美國有名的貝爾實驗室發明了用砷化鎵製成的光學開關。當然，這種開關不是我們日常使用的機械式扳動開關或撳鈕式開關，這種開關實質上是用光脈衝來控制儀器工作或休息的裝置。
1990年1月底，貝爾實驗室向大家展示了一台用光脈衝來計算的實驗裝置。儘管這台裝置跟普通電子計算機中的簡單程式處理器一樣，但它的問世畢竟說明光計算機的研究，已向前邁進了一大步。
電子計算機自誕生後，發展速度是非常快的。由於結構日趨複雜化和高度集成化，於是出現了一系列難以克服的問題。
第一個問題是，儘管在電子元器件中傳輸的是很弱的電流，但隨著元器件的高度密集，不僅工作時產生的熱量會急劇增加，而且相鄰的元件也會彼此干擾。
第二個問題是，電子計算機的元器件中，電子的運動速度約為每秒60千米。即便是在砷化鎵器件中，電子的運動速度也不會超過每秒500千米。也就是說，電子在導體中最快的運動速度也不及光子流運動速度的10%，這就大大限制了運算速度的提高。而且，當電子計算機的工作頻率超過100兆赫，或每秒轉換（運算）1億次時，還會出現一些不正常的情況。
第三個問題是，由於計算機的結構和功能日趨複雜化，組成運算電路的電子元件也日益增多。為了在有限的面積上容納下更多的元件，人們早就將許許多多元件密集起來，做成一個個小方塊。這類方塊就叫集成塊，或叫積體電路。每個集成塊是通過身上的插腳，固定在位置上，並與整個電路相連的。超大規模集成塊的插腳數目是很多的，而且越來越多，目前最多的已有300隻插腳。若於年後，也許會出現有上千個插腳的集成塊，它們會占據很大的地盤，以致騰不出足夠的宅基來安排它們。
隨著巨型計算機的出現，這些問題會日益嚴重。而要解決這些問題，只有將綜合功能性的計算機裝置逐一分解成許多功能單一的裝置，然後再用專門的聯接裝置將它們一個個地連線起來，但這樣一來，計算裝置就會變得更加複雜化。
如果用雷射計算機，就不存在這些棘手的問題了。在光腦中，輸送信息的是光子，運動速度相當於光速度（每秒30萬千米），要比電子運動速度快得多。而且，光子攜帶和傳遞信息的能力也遠遠強於電子。
目前，美國、日本的不少公司都在不惜巨資研製雷射計算機。預計在最近10年內，將開發出超級光計算機，運算速度至少比現有的光計算機快1000倍。
以雷射為基礎的計算機能廣泛地用來執行一些新任務，例如預測天氣、氣候等一些複雜而多變的過程。再如，還可以套用在電話的傳輸上。因為電話信號正在逐步由光導纖維中的雷射束來傳送，如果用光計算機來處理這些信號，就不必再像現在這樣，需要在電話局內將攜帶聲音的光脈衝轉變成電脈衝，經電子計算機處理後再轉換成光脈衝傳送出去。即可以省掉光—電—光的轉換過程，直接將攜帶聲音信號的光脈衝加以處理後傳送出去，這樣，便大大提高了傳送效率。
由於雷射計算機善於進行大量的運算，所以能高效地直接處理視覺形式、聲波形式，以及其他任何自然形式的信息。此外，它還是識別和合成語言、圖畫和手勢的理想工具。這樣，光計算機就能以最自然的形式進行人機對話和人機交流。
?990年1月29日，美國電話電報公司貝爾實驗室的科學家宣布，貝爾實驗室以美籍華裔科學家黃庚珏為首的小組，研製成功了第一代計算機，這種計算機利用雷射光束而非電波進行數據計算和資料處理，它的速度比當今最先進的超級電子計算機要快1000多倍，世界計算機科技將發生革命性的突破。
貝爾實驗室最早發現了電晶體，它使電子技術進入了一個嶄新的階段，改變了人們的生活。現在，這個公司又把雷射計算機與電晶體的發現相媲美。美國霍爾代爾研究中心信息系統研究室主任寧克認為，雷射計算機的研製成功是人類技術史上的一件大事，同萊克兄弟製成世界上第一架飛機相比。美國“矽谷”的計算機專家譽它為“新的計算機里程碑”。
??這台雷射處理機像餐桌面一樣大小，不到30厘米厚，同傳統的電腦中的電子處理器不同，不再用大量的積體電路和矽片，只是由雷射開關、透鏡和平鏡鏡片等一套雷射裝置組成。光開關或雷射計算的工作原理是，當電壓升到一定程度，光開關即雷射發射器變得透明了，隨即從中射出一束雷射光波，光波由透鏡加以聚集，再經平鏡引導、反射到另外的光開關上，實現數據轉換。然後原有光波馬上減弱，射光停止，一輪光波轉換結束，下一輪以同樣的原理和程式接著開始。這種作為光學處理器核心的光電晶體，被稱為“對稱自光電效應”，它的開關速度可高達100萬次，科學家預計，將來可能製成運算速度每秒幾億次的雷射計算機。
??雷射計算機的核心部分處理機是用雷射產生的光波代替電波進行電腦基本0和1的轉換。處理機是計算機的心臟，它接收各種信號或資料，根據程式指令加以處理，然後以新的形式輸出。
??由於光本身比電能攜帶更多的信號，而且不易受外界干擾，在傳導途中可以同其他光波交叉，但又不會使它處理的數據或資料遭到破壞。同時，各種雷射計算機也更容易相互結合，處理互為交叉的各種問題。由此可見，雷射計算機的資料處理與再處理能力以及儲存量等等，都大大超過傳統的電子計算機了。
??科學家們預測，在未來的光學計算機中，仍然會用到一些電子元件，而不只是光子元件，是一種混合使用的光電計算機。最早運用的範疇可能並行運算處理器。並行運算的原理是，將一個運算問題劃分為許多個次級運運算元題，而並行處理器可以同時處理這次級子題，大大減少了運算的總時間。
??美國英特爾公司研製的一種並行計算機，製成了一種超級晶片860，比現有晶片快5倍。科學家估計，到本世紀末，光學計算機可能導致開發出以光為基礎的超級計算機，它的運算速度將比現有計算機快1萬倍。
??光電技術已經運用在我們的日常生活中，比如雷射唱片和超級市場帳用的光學掃描裝置，都是用光子代替電子傳送信息的例子。另外，光纖通信也在逐步取代傳統的銅線電纜通信。
雖然每一代計算機在性能上都比前一代強很多，但是研究人員希望利用光來製造一種嶄新的機器。他們的目標是衝破傳統計算機設計的束縛，從而選出一台不僅勝過當今的巨型計算機而且最終能夠挑戰甚至超過人腦的機器。
這樣一台計算機將使用一些能夠以光速處理信息的線路取代常規的電子線路。目前的計算機使用電子傳送信息，但是新線路將使用光子傳遞信息。這種方法有望使計算機的速度增加100倍，並且光子計算機使用的電能將是電子計算機的百分之一。
前景：兩大因素推動光子計算機誕生；將真正模擬人腦又比人腦快數千倍
德國達姆施塔特大學的科爾內利婭?登茨博士說：“光子運算有著巨大的潛力。光子計算能夠做常規計算無法辦到的事。”她正在負責研究光學技術，這些技術在光子計算機中是必需的。設在德國小鎮耶拿的另外一個實驗室也在使用光開發計算機，這種計算機具有一種能夠像人腦那樣工作的存儲器。這種聯合存儲器可讓計算機執行模式匹配，以及其他一些人腦執行起來容易但是對常規計算機來說不僅困難而且耗時的任務。
計算機設計師採用光學設計不僅有望建成能夠在其他方面模擬人腦行為的計算機系統，並且將比人腦的處理速度快數千倍。如果是這樣的話，光電技術也許將為人們帶來真正的人工智慧。
有兩個主要的因素決定第一台光子計算機有望在未來十年內投入商業使用。到2015年，目前快速發展的矽半導體技術將止步不前，很多研究人員認為，等不到2015年基本的物理規律就會阻礙科學家製造更高性能的晶片。與此同時，對推動著網際網路發展的更多數據和更快速度的需求，迫使人們採用速度更快的路由器，而採用常規電子設計的路由器是遠遠無法達到所需速度的。
光子技術目前已成為網際網路的基礎。一度是實驗室新奇事物的光纖現在為網際網路和電話網路傳送著幾乎所有的信號。只是在用戶和電話交換局之間才使用電信號。原因是，與老式的電纜相比光纖不僅能夠傳輸多得多的信息，而且傳輸的距離也更遠。
電子：其速度是影響傳輸的瓶頸；可連線在矽晶片上的導線數限制了輸入輸出的數據量
今天，很大一部分網際網路設備把光纖中的光信號轉換成電信號，以便這些信號能夠方便地在電纜之間傳送。這―過程限制了這類設備處理數據的速度，因此工程師正在試圖利用光子本身做更多的事。
德國海因里希一赫茲學院的研究人員已開發出一種新型的光纖交換器，這種交換器將使新一代的
萬億比特網路成為可能。在這種網路中，每根光纖的數據傳輸速度可達每秒鐘 l萬億比特，當今網路的傳輸速度只可能達到這一速度的 l/25。
當前光子研究的很大一部分工作集中在可把微處理器的計算能力與光纖的信息傳輸能力結合在一起的混合設備上。信號在計算機中的傳輸距離與其在網際網路通信中的傳輸距離相比是微不足道的，但是即使傳輸距離只有幾厘米，電子的速度也會變成影響傳輸的瓶頸。
隨著晶片的速度越來越快，晶片間需要更多的連線以獲得足夠的數據。僅僅使用電子連線會使提高速度變得非常困難。電子在金屬中的傳輸速度只是光子在空氣中傳播速度的 l/10。當電子在電路板上的導線中移動時，其他因素也會降低電子的速度。
另外一個問題是在一塊矽晶片上連線的導線數也是有限制的。為了讓更多的數據傳入或者傳出晶片，計算機設計人員要么必須加快電子的速度(這在目前是不可能的)，要么
必須把數據分配到更多的導線中。即使是第二種方法也有其局限性。
晶片一直在變小，在晶片和電路板之間安排多少連線是有限的。目前，這個限度大約是每塊晶片1000個連線。為了節約成本，實際的連線數遠遠達不到這個限度。
光子：無需連線，光子通過空氣五達晶片；光束相交叉，不會相互影響
如果使用光，就有可能把這個限度擴大9倍。這是計算機設計師的夢想。這樣，不僅信號的傳輸速度加快，而且數據可分散到更多的連線中，從而達到更快的速度。晶片的表面將排滿雷射器，這些雷射器把信號傳送到另外一個裝有接收器的晶片上。沒有必要通過光纖把晶片連線起來。把晶片對齊後，光子能夠穿過空氣直接到達下一塊晶片。與完全電子化的計算機不同，這些晶片不是貼在電路板上的，而是安裝在一塊壁板上，所以晶片的整個表面都可安裝雷射器和探測器。
光子優於電子的另外一個方面是，如果兩束光子的路線相交叉，它們不會相互影響。只是在兩束光子照射到同一個探測器上時，才會有影響。電路板設計要求電路分離，以避免短路，而光束則能夠在計算機里的二維空間或者三絕空間中穿行。
通過引進能夠在晶片之間指引光路的裝置，有可能製造出比電子裝置網路密度大很多倍的網路。這也是研究人員指望使用光子計算機製造新一代神經網路的原因。神經網路模擬大腦中神經元的行為。但是，單純的電子設計無法像大腦細胞那樣形成數量巨大的神經系統聯繫。把電線換成可導向的光束之後，科學家就能夠朝著模擬大腦行為的方向邁進一步，但是光信號的傳輸速度要比生物電信號的速度快很多倍。
光子技術不會很快就用在一般的台式計算機中，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並行處理的技術，在這種計算機中，成百甚至成千的晶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，而使用一堆雷射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，這種開關要和在矽晶片上的電子開關一樣小。