光計算機(jī)離我們究竟還有多遠(yuǎn)？

【編者按】光計算機(jī)與電子計算機(jī)相比，有許多天然的優(yōu)勢。那么光計算機(jī)離我們還有多遠(yuǎn)？本文講述了光計算研究中的一個實(shí)例，千里之行，始于足下，希望大家不盲目樂觀，同時保持期待。作者蝸牛君，中科院光學(xué)工程博士。

| 光計算機(jī)是什么？

光計算機(jī)，俗稱光腦。上世紀(jì)，早在電子計算機(jī)剛剛興起之時，科學(xué)家們便提出了光子計算機(jī)的概念。這是因?yàn)槔霉膺M(jìn)行計算，比用電子計算有著許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

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(jié)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(diǎn)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(yōu)點(diǎn)。一時間，“光腦”的呼聲甚囂塵上。

另外，光在模擬計算領(lǐng)域，還有著第一無二的優(yōu)勢。

通常我們所理解的計算機(jī)是指數(shù)字計算機(jī)，即利用邏輯門和0101的信息來進(jìn)行計算的。但實(shí)際上除了數(shù)字計算機(jī)，還有一類不依賴邏輯門的計算機(jī)，叫做模擬計算機(jī)。電子式的模擬計算機(jī)直接利用電壓和電流進(jìn)行計算，目的是得到一個可供測試或?qū)嶒?yàn)的數(shù)值解，而不是解析解或準(zhǔn)確解。此類計算機(jī)大家很陌生，是因?yàn)橥糜诠I(yè)、實(shí)驗(yàn)和科研領(lǐng)域，普通商用和家用計算機(jī)一般都是數(shù)字計算機(jī)。

在模擬運(yùn)算領(lǐng)域，光有著獨(dú)特的“上帝算法”。

例如，在許多領(lǐng)域需要運(yùn)用傅里葉變換相關(guān)的計算，如卷積。數(shù)字計算機(jī)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(yùn)用傅里葉變換作為基礎(chǔ)運(yùn)算的算法往往很耗時，如圖像處理領(lǐng)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(jì)，以光模擬計算為基礎(chǔ)的計算機(jī)就已被發(fā)明出來，并在圖像識別、圖像處理等領(lǐng)域使用，甚至據(jù)說美國以前提出的星球大戰(zhàn)計劃，就打算發(fā)展這種計算機(jī)來識別高速飛行的導(dǎo)彈圖像。

但這種計算機(jī)的應(yīng)用面相對較窄，大眾更需要的是集成化的、能夠處理各種運(yùn)算的數(shù)字式計算機(jī)。在這方面，光子計算機(jī)有著巨大的障礙。

在空間中利用光實(shí)現(xiàn)邏輯門并非不可能，將透鏡、反射鏡、棱鏡、濾波器、光開關(guān)等器件加以設(shè)計組合，的確可以實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字式計算的功能。事實(shí)上，早在上個世紀(jì)，這樣的光計算機(jī)就已問世。但光學(xué)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(jī)大規(guī)模替代電子計算機(jī)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(xué)家逐漸將精力轉(zhuǎn)向挖掘電子計算機(jī)潛力或研究量子計算機(jī)等方面，全光計算機(jī)研究的熱度稍減。也有科學(xué)家提出，其實(shí)不必拘泥于芯片級別的全光計算機(jī)，可以在仍然使用半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)上，將外圍電子設(shè)備逐步更換為光子設(shè)備，大力發(fā)展光互連技術(shù)，直至實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)的光互連，即制成全光芯片。

隨著加工技術(shù)的發(fā)展和材料學(xué)的進(jìn)步，近十年來，光子計算機(jī)的熱度又有了明顯提高。尤其是微納加工技術(shù)的進(jìn)步，使得橫亙在光子計算機(jī)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(jī)研究中的一個實(shí)例，一種全新的、利用光學(xué)干涉原理制成的邏輯門。

| 光計算機(jī)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(nèi)傳輸?shù)奶厥夤鈭觥?/span>

為了便于理解接下去要講的內(nèi)容，讓我們首先想象這樣一個場景。

有一天風(fēng)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。

（圖：作者自制）

如上圖所示，他讓四只蝸牛在操場左側(cè)依次排開，在操場右側(cè)分別插了一支綠旗一支紅旗。游戲的規(guī)則是這樣的，在吹哨之后，四只蝸牛同時開始運(yùn)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(guī)定就是，每爬一步，蝸牛們就要記個數(shù)，并且是按照“0,1,0，-1,0,1,0，-1”這樣的循環(huán)來計數(shù)。在他們到達(dá)目的地后，分別報出自己目前的數(shù)字，A與B的數(shù)字相加，C與D的數(shù)字相加，然后取絕對值，看哪一組的數(shù)字大。

很容易可以看出，在可能出現(xiàn)的結(jié)果中，最大的數(shù)字是2，最小的數(shù)字是0。由于是四胞胎，因此假設(shè)這四只蝸牛每一步都是一模一樣長的。因此最終的結(jié)果只與他們走過的相對路程有關(guān)。要想獲勝，只要規(guī)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(fā)出光場，作為光源。通過合理規(guī)劃兩個或多個光源發(fā)出的光走的路徑，則可以通過控制他們之間的相位差，實(shí)現(xiàn)干涉相漲或相消的功能，實(shí)現(xiàn)光邏輯門，如下圖所示：

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

然后利用兩個或多個光源發(fā)出的光經(jīng)過的路徑長度不同，匯聚后相位差不同，產(chǎn)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(jié)構(gòu)的電子顯微鏡照片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也非常出色。

下圖是同或門的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果：

下圖是或門的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

類似地，非門也非常容易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然了，單個的邏輯門離成型的計算機(jī)還差著十萬八千里，但正所謂“千里之行始于足下”，這種在設(shè)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(biāo)題，類似于“光腦將面世”之類的詞語，讓大家盲目樂觀。實(shí)際上就像本文提到的表面波邏輯門一樣，只是科學(xué)家們又解決了一個關(guān)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(jī)是不可能大規(guī)模應(yīng)用，甚至取代電子計算機(jī)的，我們離家用的光計算機(jī)還有很遠(yuǎn)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。

注：以上論文圖片均來自 All-Optical Logic Gates Based on Nanoscale Plasmonic Slot Waveguides。

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