我们离基于光而不是电的计算机又进了一步

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斯坦福纳米和量子光学实验室设计、制造并测试了一些极小的光学设备，它们只有几微米甚至更小，能用在高速通信和量子计算上。这些开创性的棱柱状设备能分离出不同波长的光，并控制它们到前所未有的地步。研究人员希望使用这种技术的计算机，在处理大量图像及视频流时能更有效。
这一研究表明：在不久的将来我们可以用光代替电来传送数据，让计算机更有效率、速度更快、更可靠。但是，这和我们有什么关系？
为什么要光学计算机？
高中的物理告诉我们，沿着导线传播的信号最终会逐渐减弱，直至消失。这种情况在计算机中同样存在，计算机内部的组件，甚至整个数据中心都是通过铜线连接在一起的，而据统计，供给电脑的80%电量会损耗在铜线上。
如今眼前就有一个解决方案。“如果你能够用光取代现行的电，就能大幅降低能源消耗，提高运行速度” ，研究的负责人，电气工程学教授Jelena Vuckovic说道。
光能够携带比电缆多得多的数据，同时传输光子需要的能量比电能要少。光纤网络就是利用了这个原理，而将来可能会取代WiFi的LiFi也是。“能量耗损是最大的瓶颈” ，Vuckovic说道，“增加处理器运行速度，就会产生更多的热量，这就对运行速度有了限制。我们有必要做出改变。”
随着电缆越来越细，信号频率越来越高，从某种意义上说，存在限制数据传输速度的屏障，因为产生的过多的热量最终可能会烧毁处理器。光学计算就不存在这个问题，铜导线能够以每秒20千兆的速度传输数据，而基于光学的却没有上限。
这一研究有何意义？
想要实现光学计算机，要解决三大问题：
一，要找到将电信号转为光信号的方法，例如激光，可以将比特流转化为脉冲波束。二，解决光信号在不同端点处的定向传送问题。三，如何将到达目的地的光信号重新转变为电信号，这点可以通过高速光电探测器来实现。
上述的第一个和第三个问题已经由纳米和量子光学实验室解决了，斯坦福大学的新研究是最后一片拼图，有了它该团队就能用任何光纤连接器、路由器、以及必要的枢纽组成一个复杂的，基于芯片的光信号传输网络。
“当然，我们还需要将这几个部分与处理器整合在一起，现在我们还没有开始做”，Vuckovic说，“但是我乐观地认为，五年左右我们就能做到了。”
这一研究如何实现？

这一新型的棱柱状设备被称为“光链路”。这一薄薄的硅芯片只有8微米长（百万分之八米），上面刻着类似条形码的纳米级蚀刻图案。不同于以往纳米光学研究员刻画的简单的几何图形，光链路上的复杂图案是由算法产生的，而且设计时间仅有15分钟。
该算法最初由实验室的学生Jesse Lu基于凸优化理念编写，它是一个通用的术语，指称多种局部优化技术，包括金融，航空航天，网络流量及大型电子电路等领域的优化。
“最初的想法是求出一个‘目标函数’，用单个数字作为描述优化对象的‘健康指数’”， Alex Piggott解释道，“我们致力于减小这个目标函数的值，一旦我们做到了，我们就找到了最佳的优化方案。”
优化算法允许研究人员设计并制造光链路，利用光在不同介质中传播，会有不同的传播与反射方式的特性。项目的初期，算法经过简化仅考虑硅介质的存在。为了取得研究人员期望的结果，算法对棱镜的表面进行了数百次的微调，目的就是获得准确的输出光源。
最新的论文显示，这样的芯片制造出来后经测是可以正常工作的。将1300纳米及1550纳米的光线投身向新型芯片，结果芯片上的条形码图案将两种光引向另了不同的方向。这意味着，我们离光学计算机又进了一步。
未来会如何？
一些学者在探索更复杂的波段组合。欧洲的Phoxtrot项目的主要工作是对光束进行引导，通过嵌入微镜的方法解决转角问题；其他一些人设想将原子级别的芯片与石墨烯等材料结合，让芯片速度更快更有效。
谷歌和微软也在尝试在处理器中使用光线，这就是所谓的量子计算，它还处于萌芽状态，但竞争激烈，也预示着更加显著的进步。
计算机中数据链接速度更快，对亚马逊、Facebook等拥有大型数据中心的公司来说非常有吸引力。“在不久的将来，也许图像处理等也会得益于光学元件的使用”， Jelena Vuckovic说道。“还有模式识别，所有这些问题，都会在建立光学计算机后，变得更容易解决。”
这一研究对计算机的提速不是那么立竿见影，但真正的光学计算离我们也不远了。但它到底与我们有什么关系呢？也许是下片速度更快吧。