光計算機晨曦初露

據(jù)Gartner Dataquest發(fā)布的一份調(diào)查和預測報告顯示，目前光計算機的許多關鍵性技術，諸如光的存儲技術、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(xiàn)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世紀中期人類最偉大的發(fā)明之一；90年代中期，比電子計算機更先進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驗性光計算機(砷化鎵光開關)，其最大特點是用光處理信息，而不是用電。因此，在處理數(shù)據(jù)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，即使在光線交匯時也不會互相干擾造成影響。一塊直徑僅2cm的光棱鏡，其通過的信息比特率可以超過全世界現(xiàn)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路中的流動來處理各種輸入信息，而光計算機則借助激光束進入由反射鏡和透鏡組成的陣列中對信息進行處理。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處理各種輸入信息和解決復雜的計算問題的。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(tǒng)中如某一元件遭到損環(huán)或運算出現(xiàn)局部錯誤時，不會影響整個計算的最后結果。

在光計算機研制中新出現(xiàn)的一種趨勢是：科學家獨辟蹊徑，將傳統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)換器和光子結合起來做試驗，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(nèi)部過熱的老大難問題。

在研制光計算機過程中，科學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(tǒng)的物理學定律提出了挑戰(zhàn)。美國加州帕薩迪納航空和宇航局噴氣推進實驗室(JPL)和英國威爾士大學的科學家們?nèi)涨鞍l(fā)現(xiàn)，“纏結”在一起的光子對作為一個獨立的單元，其效率為單個光子的兩倍。借助這種“纏結”方法，可以使用傳統(tǒng)的激光源生產(chǎn)出高速小型計算機的芯片。

在傳統(tǒng)芯片的生產(chǎn)過程中，采用“光描刻術”讓光子束來“描刻”計算機芯片。這些芯片實際上是由互相連結的雙位開關(晶體管)組成的。當電流通過晶體管之后，計算機便具備了計算機功能；將數(shù)以百萬計的晶體管壓縮排列成為薄型芯片時，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為248nm的光來生產(chǎn)晶體管，而利用光子“纏結”的方法，則可以用波長為248nm的現(xiàn)有激光源生產(chǎn)出只有在1/4原波長(62nm)或者目前的極限波長124nm的條件下才能生產(chǎn)出的芯片尺寸。具體操作時，科學家讓一束光穿過一種特定晶體，產(chǎn)生出“纏結”光子。在這種“量子描刻術”中，一對“纏結”光子可從兩條路經(jīng)進入一個裝置。當兩個光子運行到一起形成一個單位(光子對)后，人們無法確定這個光子對究竟是選擇哪條路徑進入該裝置的。然而，在奇特的量子力學中，光子對實際上是同時從兩條路徑進入該裝置的。在每條路徑上，光子如同起伏不定的波浪，沿著自身路徑運行一段時間后，兩個光子便覆蓋了特定晶體的表面。

由于構成每個“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)生的效應與波長一半的單個光子產(chǎn)生的效應相當。也就是說，采用“纏結”的光子可生產(chǎn)出尺寸僅為常規(guī)芯片一半的芯片。“纏結”光子為高速計算機的開發(fā)奠定了基礎。

英國薩里大學凱文·霍姆伍德教授領導的一個研究小組，成功地在硅片上開發(fā)出光束，這一突破性成果意味著未來的計算機芯片將以光而不是用電來傳送信息。根據(jù)摩爾定律，計算機芯片的性能每18個月就會翻番。隨著計算機芯片的不斷微型化，芯片內(nèi)傳輸電信號的線路做得越來越細小，面臨的難度也越來越大，這成了制約芯片發(fā)展的一大障礙?？茖W家稱，這一難題不解決，計算機芯片很可能10年內(nèi)就會達到極限，從而使計算機的發(fā)展受到很大限制。光芯片的傳輸線路比電子線路小得多，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，其性能就會改變。實驗中，科學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(qū)域，當電荷載體限制于這種狹小的區(qū)域時，阻礙其發(fā)光的因素即受到抑制，從而發(fā)出光束。

科學家們指出，使用現(xiàn)有技術已經(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。

加拿大多倫多大學的科學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，此舉為開發(fā)光計算機創(chuàng)造了堅實的基礎。借助1984 年發(fā)現(xiàn)的有關用硅晶片制造的光芯片捕獲光的新理論，從1999年開始，他們采用貓眼石晶體作為襯底來生長硅晶體，研究開發(fā)出相關的化學工藝，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，從而使科學家們在研制采用光來存儲和處理信息的計算機芯片方面獲得了令人鼓舞的進展。

澳大利亞科學家提出了一種有關通信光電子信號傳輸?shù)男吕碚摚凑者@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。澳大利亞科學家指出，將兩束強光盡可能地靠近，兩束光的速度就會產(chǎn)生變化而使光發(fā)生彎曲，兩束平行的光束會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呈螺旋狀，就如同光束在光纖中被捕獲時的狀態(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，光束速度會減慢，從而導致光束彎曲。澳大利亞科學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、斷開或者引導，這一研究成果可以應用于研制光計算機的光開關或者邏輯門電路，為光計算機的研制鋪平道路?！?/font>