光计算在我们的未来吗?

文章作者:Bill Schweber

很久很久以前，“计算”是模拟电路的领域。不，他们不能加列的数字，但他们可以解决复杂的微分和其他方程，并做得相当不错的实时(当然在带宽限制内)，一旦你设置他们通过手动增益控制和补丁面板，就像计算机图1．

图1这台Donner 3500是一台小型台式模拟计算机;其他的全模拟计算机占据了整个机架甚至一个小房间。(图片来源:时间线上电脑存档)

模拟功能（加法、减法、乘法、除法、微分和积分）的核心功能块基于管基运算放大器，如George A.Philbrick Research的传奇K2-W所示图2。它们很快被分立晶体管版本和最终的集成电路所取代。

图2GAP/R K2-W运算放大器、照片和原理图；以兆欧和pF表示的原理图值（由GAP/R校友提供丹Sheingold通过http://protorit.blogspot.com)

计算机超越了电子学。大约50年前，甚至有一种“流体”计算机，它使用康达效应(流体射流附着在凸面上的趋势)。他们在塑料通道中使用水或空气来实现逻辑门;闸门由标准的柔性塑料管(参考文献1和2）.他们的优势是不会发出噪音，但他们的体型和身体笨拙是他们的缺点之一。一个典型的四输入与或或门大约只有一副牌的一半大小。基于空气的流体计算仍然是一个使用蚀刻微通道的研究课题(不要与医疗仪器中广泛使用的流体微通道相混淆)，但让我们面对它——它很难与摩尔“定律”的现实相竞争。

模拟计算的时代已经一去不复返了，尽管仍有人反对，甚至一些研究仍在进行中（见参考文献3）.然而，现在我们把“计算”和“数字”联系在一起。(当然，电子和物理现实是，数字电路本身是模拟功能的一个小众子集，但那是另一回事。)最近，也有很多高端研究和资金投入到量子计算领域，尽管目前还不清楚有多少是希望、炒作还是现实(见图)参考文献4）.我会让那些比我更了解这一点的人，以及时间的流逝，做出这个决定。

没有必要将我们自己限制在模拟、数字甚至量子计算中。一些研究人员说，“生物”计算是真正的下一个大事件，只要我们能解决它。当然，它可能是缓慢的(像人类的大脑)，但它也将是一个灵活的，多功能的，适应性强的自学习“机器”，不像现在或在不久的将来。毕竟，谁真的知道一些基本的知识，比如大脑如何(而不是在哪里)存储图像和数据，以及大脑如何检索记忆，有时是立即检索，有时是几个小时后，当你试图记住的东西“突然”出现在你的大脑中。或者想想实现自动驾驶汽车所需的所有计算和电力，使用一个3磅(1.4公斤)不到25瓦、非常慢的生物计算机——人类大脑，几乎任何人都能学会完成这项任务。

但为什么要停止使用这些技术呢?光学计算的研究正在进行中，考虑到光的带宽和速度，光学计算机可能又快又强大。但是控制和切换光线的通道是一个真正的问题。一些设计使万博投注网址用了基于mems的微镜(类似于德州仪器的机制)数字光处理技术），但即使如此，仍然有微型移动部件和相关的速度和密度问题。

当然，研究人员正在研究实现全光计算潜力的其他方法。最近的一篇论文报道了由加拿大麦克马斯特大学和哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员合作开发的一种有趣的方法。他们使用了一种新型水凝胶材料tht，它提供可逆的膨胀和收缩。低激光功率导致该材料的折射率发生变化，水凝胶材料也充当光管，将光能包含在灯丝中，类似于光纤，图3“切换”功能是这样的：当聚焦的激光照射到凝胶的某个区域时，该区域略微收缩并改变其折射率；当光线关闭时，凝胶恢复到其原始状态。

图3实验台光学装置不像“计算机”，但技术进步的初始步骤很少像实际结果。（图片来源：麦克马斯特大学)

光学计算机不仅仅是改变折射率和光路，尽管它确实能拍出很棒的照片，图4．当多束光束通过水凝胶材料时，即使距离很远或没有光场重叠，它们也会相互作用并影响彼此的强度。“尽管它们是分开的，但光束仍然可以看到对方，并因此而发生变化，”麦克马斯特大学的副教授、论文合著者Kalaichelvi Saravanamuttu说。通过改变折射率，这些多光源之间的相互作用可以停止、启动、管理和读取，产生可预测的输出——这是逻辑功能转换和发展的重要第一步。

图4（A） 水凝胶的光异构化方案。（B） 使用的含有发色团的水凝胶整体的照片。（C） 证明溶液中可逆异构化的紫外-可见吸收光谱。（D） 实验装置（顶部）用于探测由于水凝胶的光诱导局部收缩而产生的激光自陷，如底部示意图所示（另见电影S1）。激光束聚焦在水凝胶的入口面上，而其出口面成像在CCD摄像机上（完整详细说明见链接纸）。（图片来源：麦克马斯特大学)

想了解更多细节，请查看他们的七页论文，题目很有挑战性。光响应凝胶中的光化学机械转导引发具有远程相互作用的可切换自陷光束”发表在美国国家科学院院刊，还附上了一篇47页的文章补充资料包和10秒视频．

我们能超越半导体计算吗?在未来的几十年里，你认为非电子计算有什么可能性吗?如果是，通过什么物理过程和现象?