摘要：当今的计算机科学技术正在以迅雷不及掩耳之势迅速发展，但是任何一种技术的发展都会受到它自身固有的物理特性限制，电子计算机也不例外，可以说随着巨大规模集成电路的日趋成熟，一块芯片上所能集成的电子元件已几近饱和，即使理论上能够有所突破，但制造工艺已不可能有质的突破---根据经典电磁学理论，当电子线路过密就不可避免的产生相互间电磁干扰，并且电子在电路的传输过程中会产生大量热能，能源消耗极大，数据必须光电转换才能进入光纤网络。这应该就是电子计算机硬件的发展瓶颈，所以光子计算机技术就是在这种背景下应运而生。虽然目前还很不成熟，但发展前景非常广阔。关键词：光子计算机 存在问题 优点 前景 中图分类号: G623.58 文献标识码：Ａ 文章编号：1674-098X(2011)12(a)-0000-00
光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。
由于光子比电子速度快，电子在运动过程中，由于会遇到一些杂质原子的阻挡，需要克服由些产生的阻力。所以，实际上计算机中电子运动速度比光速低得多。光速是每秒钟30万千米，大约比计算机中电子的运动速度快1000倍，因此预计有可能使运算速度提高数千倍。它的存贮量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。
现有的计算机是由电子来传递和处理信息。电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快，但是，从发展高速率计算机来说，采用电子做输运信息载体还不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。然而光子计算机用光子作为信息传递的载体，光互连代替导线互连，电子硬件用光硬件代替，电运算代替光运算，利用激光来传送信号，且由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。
光子计算机由光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备组成。有模拟式与数字式两类光子计算机。模拟式光子计算机的特点是直接利用光学图像的二维性，因而结构比较简单。这种光子计算机现在已用于卫星图片处理和模式识别工作。美国以前提出的星球大战计划，就打算发展这种计算机来识别高速飞行的导弹图像。数字式光子计算机的结构方案有许多种，其中认为开发价值比较大的有两种，一种是采用电子计算机中已经成熟的结构，只是用光学逻辑元件取代电子逻辑元件，用光子互连代替导线互连。另外一种是全新的，以并行处理为基础的结构在本世纪80年代制成了光学信息处理机年数字光处理机也获得成功，它由激光器、透镜和棱镜等组成。虽然光子计算机已经成功，但在目前来说，光子计算机在功能以及运算速度等方面，还赶不上电子计算机，我们使用的主要还是电子计算机，今后也发展电子计算机。
我们知道，任何金属导线都存在电阻和电容。从电磁学基本知识也知道，电阻和电容的结合会给在导线中传播的电子产生“阻力”，减低它在导线中传播的速度，这个现象又称时钟扭曲。由于存在这样一些问题，相应地也就出现这样的后果：电子对迅速的外来变化反应“迟钝”。当传递信息的载波频率很高时，在导线上传递的电信号实际上跟不上要传递的信息信号变化。结果呢，就如同相声演员念绕口令，念得过快，舌头反应跟不上，念错了或走了调那个样子，被传递的信号要发生畸变，计算机的运算发生错误。其次，电子计算机的中央处理机虽然能够迅速处理数据，主存贮器能够吞吐大量的数据。但因为所有的数据信号都必须经过总线传递，而总线的电流密度如果太大，产生的电磁干扰也大。因此，电子计算机也会出现类似于高速公路交汇口由于狭窄，车辆通行速率受限制的现象，计算机和运算速度也受到了限制。还有，计算机使用的集成电子器件，它们因为受量子效应干扰，集成密度受到限制，理论上的集成密度最高为每块芯片10亿个晶体管（在实际上达到的数量比这个数还要低许多）。
不用电子，用光子做传递信息的载体，就有可能克服前面谈到的那些限制，制造出性能更优异的计算机。用光子做传递信息的载体有以下几方面的好处：
1 光子没有静止质量
它既可以在真空中传播，也可以在介质中传播，传播速度比电子在导线中的传播速度快得多（约1000倍），也就是说，光子携带信息传递的速度比电子快计算机内的芯片之间用光子互连不受电磁干扰影响，互连的密度可以很高。在自由空间进行互连，每平方毫米面积上的连接线数目可以达到5万条，如果用光波导方式互连，可以有万条。
2 光子不带电荷千万条光束可以同时穿越一只光学元件而不会相互影响。一只20×20c㎡的光学系统，能够提供5×10^5条并行传输信息通道；一只质量好的透镜能够提供10^8条信息通道。如果用光波导传输，光波导也可以相互穿越，只要它们的交叉角大于10°左右就不会有明显的交叉耦合。上述的性质又称光信号传输的并行性。
3 超大规模的信息存储容量
光子计算机无导线传递信息 的平行通道，其密度实际上是无限的，一枚五分硬币大小的枚镜，它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍。
4 超高速的运算速度
光子计算机并行处理能力强，因而具有更高的运算速度。
5 能量消耗小，散发热量低
是一种节能型产品。光子计算机的驱动，只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分，这不仅降低了电能消耗，大大减少了机器散发的热量，且为光子计算机的微型化和便携化研制，提供了便利的条件。
光子技术不会很快就用在一般的台式计算机中，但对巨型计算机来说则是另外一回事。很多巨型计算机使用一种称为并行处理的技术，在这种计算机中，成百甚至成千的芯片联合处理一顶任务。在当前的电子系统中，成问题的是通信速度，而使用一堆激光器就能轻而易举地解决这个问题。
虽然可合用电子设备和光子设备以解决通信瓶颈，但是信号在两者之间转换要花时间。另外，激发电子开关也需要时间。为了达到最大速度，最好是一个电子设备也不使用。随着光子在系统内飞行，所有的计算都由它们做出。这些计算机所需的是一种光开关，这种开关要和在硅芯片上的电子开关一样小。
巴斯大学的物理学家正在进行一个项目，想研制出一种计算机，可以用光子代替传统的电子来运作。
这个项目由工程及物理科学研究理事会发起，总投资82万英镑。这项研究将推动光子物理的发展，同时也给了物理学家从原子级别观察世界的一次机会。他们采用新型光子晶体光纤作为传输器材，比其传统光线来，新材料的损耗要小得多。“如果成功，这将是近五十年来计算机技术的一次革命”项目领导者Benabid博士说。
参考文献[1] 高峻,裴东,王洪明.漫谈未来的新型计算机[N].科学时报.2000.[2] 周家高.神奇的光子计算机[N].华夏时报.2001.
查看全文
false