光计算机晨曦初露

据Gartner Dataquest发布的一份调查和预测报告显示，目前光计算机的许多关键性技术，诸如光的存储技术、光存储器以及各种光集成电路(OIC)等都已取得重大突破，继电子计算机之后将出现新一代的光计算机。光计算机将在21世纪大行其道。

电子计算机是20世纪中期人类最伟大的发明之一；90年代中期，比电子计算机更先进的光计算机的研究如火如荼。美国率先推出了世界上第一台实验性光计算机(砷化镓光开关)，其最大特点是用光处理信息，而不是用电。因此，在处理数据的功能上要比电子计算机大1000多倍，处理信息的速度为每秒10亿次。

目前，在光计算机研制领域，最引人注目的研究成果是由欧共体和法国、德国、英国以及意大利等国60多名科学家联合研发成功的世界上第一台光计算机，其运算速度要比目前速度最快的超级计算机快1000多倍，并准确无误。

所谓光计算机，就是利用光作为信息的传递媒体，正如电子计算机利用电作为信息的传递媒体一样。光子同电子相比具有许多独特的优势：它的速度永远等于光速，具有电子所不具备的频率及偏振等特征，从而使传载信息的能力大得多。光信号根本不需要导线，即使在光线交汇时也不会互相干扰造成影响。一块直径仅2cm的光棱镜，其通过的信息比特率可以超过全世界现有的全部电缆总和的300多倍。光计算机的智能水平也将远远超过电子计算机的智能水平。

光计算机与电子计算机的工作原理不同，电子计算机借助电荷在线路中的流动来处理各种输入信息，而光计算机则借助激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中对信息进行处理。光计算机与电子计算机的相似之处在于光计算机也是靠产生一系列的逻辑运算操作来处理各种输入信息和解决复杂的计算问题的。与电子计算机比较，光计算机具有一系列的优势：

一、光计算机的并行处理能力特别，具有超高速的运算速度，这是电子计算机望尘莫及的。由于电子的传播速度仅为每秒593公里，而光计算机中的光子的传播速度高达每秒30万公里，相当于电子计算机中的电子速度的500多倍；

二、在对工作环境的要求方面，超高速的电子计算机只能在低温条件下工作，而光计算机在室温下能够正常工作；

三、光计算机的信息存储量特别大；

四、光计算机抗干扰能力和对环境的适应性很强，对环境条件的要求不高，在任何恶劣环境条件下都可以正常工作；

五、光计算机的容错性强，光计算机有与人脑相似的容错性，系统中如某一元件遭到损环或运算出现局部错误时，不会影响整个计算的最后结果。

在光计算机研制中新出现的一种趋势是：科学家独辟蹊径，将传统的电子转换器和光子结合起来做试验，以便研制成一种光、电杂交型计算机，即光电计算机，它能够以更快的速度处理各种信息，能够避免以往巨型计算机内部过热的老大难问题。

在研制光计算机过程中，科学家们找到了一种制造高速小型计算机的新方法，这种新方法对传统的物理学定律提出了挑战。美国加州帕萨迪纳航空和宇航局喷气推进实验室(JPL)和英国威尔士大学的科学家们日前发现，“缠结”在一起的光子对作为一个独立的单元，其效率为单个光子的两倍。借助这种“缠结”方法，可以使用传统的激光源生产出高速小型计算机的芯片。

在传统芯片的生产过程中，采用“光描刻术”让光子束来“描刻”计算机芯片。这些芯片实际上是由互相连结的双位开关(晶体管)组成的。当电流通过晶体管之后，计算机便具备了计算机功能；将数以百万计的晶体管压缩排列成为薄型芯片时，电流的流程变短，从而使得计算机的运算速度加快。

以往一般只能采用波长为248nm的光来生产晶体管，而利用光子“缠结”的方法，则可以用波长为248nm的现有激光源生产出只有在1/4原波长(62nm)或者目前的极限波长124nm的条件下才能生产出的芯片尺寸。具体操作时，科学家让一束光穿过一种特定晶体，产生出“缠结”光子。在这种“量子描刻术”中，一对“缠结”光子可从两条路经进入一个装置。当两个光子运行到一起形成一个单位(光子对)后，人们无法确定这个光子对究竟是选择哪条路径进入该装置的。然而，在奇特的量子力学中，光子对实际上是同时从两条路径进入该装置的。在每条路径上，光子如同起伏不定的波浪，沿着自身路径运行一段时间后，两个光子便覆盖了特定晶体的表面。

由于构成每个“波浪”的光子是“缠结”的，所以将光子“波浪”叠加在一起后，其产生的效应与波长一半的单个光子产生的效应相当。也就是说，采用“缠结”的光子可生产出尺寸仅为常规芯片一半的芯片。“缠结”光子为高速计算机的开发奠定了基础。

英国萨里大学凯文·霍姆伍德教授领导的一个研究小组，成功地在硅片上开发出光束，这一突破性成果意味着未来的计算机芯片将以光而不是用电来传送信息。根据摩尔定律，计算机芯片的性能每18个月就会翻番。随着计算机芯片的不断微型化，芯片内传输电信号的线路做得越来越细小，面临的难度也越来越大，这成了制约芯片发展的一大障碍。科学家称，这一难题不解决，计算机芯片很可能10年内就会达到极限，从而使计算机的发展受到很大限制。光芯片的传输线路比电子线路小得多，因此，用光芯片制造的计算机将比电子计算机体积更小，速度更快，具有广阔的发展前景。

由于目前的发光器件很难安装到硅电路中去，所以影响了芯片的小型化和运行速度。理想的方法是用硅晶片本身制造发光器件。硅通常不能有效地发光，但如将其分解为纳米级的微小粒子，其性能就会改变。实验中，科学家不是直接使用硅晶体，而是用硼离子轰击硅薄膜，使其形成可限制电荷载体的环形区域，当电荷载体限制于这种狭小的区域时，阻碍其发光的因素即受到抑制，从而发出光束。

科学家们指出，使用现有技术已经能够使芯片发光，芯片制造商只需将昂贵的设备稍加改造即可。这种技术的优势在于能够在室温下操作，更适用于PC，从而能够大大加速通信光电子业的发展。

加拿大多伦多大学的科学家小组日前新研制成功一种光芯片，业界认为这是一项重大突破，此举为开发光计算机创造了坚实的基础。借助1984 年发现的有关用硅晶片制造的光芯片捕获光的新理论，从1999年开始，他们采用猫眼石晶体作为衬底来生长硅晶体，研究开发出相关的化学工艺，成功地研制出能够有效地捕获光的三维硅结构物质，用三维硅结构物质制造的光芯片，能够有效地控制光子的运动，从而使科学家们在研制采用光来存储和处理信息的计算机芯片方面获得了令人鼓舞的进展。

澳大利亚科学家提出了一种有关通信光电子信号传输的新理论，按照这种理论，一束光可以引导另一束光而不需要借助于光纤。科学家们指出，两束强光可以互相吸引、排斥或者弯曲，这种新理论有望成为研制光计算机的基础理论。澳大利亚科学家指出，将两束强光尽可能地靠近，两束光的速度就会产生变化而使光发生弯曲，两束平行的光束会因其相位相同或者相反而互相吸引或者互相排斥，当它们的相位锁定时呈螺旋状，就如同光束在光纤中被捕获时的状态一样。如果改变光束通路材料的折射率，则可使一束强光束引导另外一束强光束。当材料的折射率提高时，光束速度会减慢，从而导致光束弯曲。澳大利亚科学家从事这项研究的目的是为了研制全光器件，他们的研究结果表明，通过改变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、断开或者引导，这一研究成果可以应用于研制光计算机的光开关或者逻辑门电路，为光计算机的研制铺平道路。■