光子こうし计算机つくえ

光子こうし计算机つくえ（亦また称たたえ光ひかり脑）是ぜ指ゆび以光子こうし替がえ代だい电子的まと先さき进计算机つくえ。數かず十じゅう年來ねんらい的てき研究けんきゅう指出さしで，光子こうし可か以比傳統でんとう電腦でんのう中ちゅう使用しよう的てき电子有ゆう更さら高だか的てき頻しき寬ひろし（例れい如光ひかり纖）。

大だい多数たすう研究けんきゅう项目都と专注于用光学こうがく等とう效こう模も組ぐみ替がえ换当前まえ的てき计算机つくえ组件，目的もくてき是ぜ要よう得え到いた可か以处理り二に进制数すう据すえ的てき光学こうがく计算机つくえ系けい统。这种方法ほうほう似に乎为商しょう业光学がく计算提供ていきょう了りょう最さい佳けい的てき短期たんき前景ぜんけい，因いん为光学がく组件可か以集成しゅうせい到いた传统计算机つくえ中ちゅう，形成けいせい光こう电混合こんごう的てき系統けいとう。然しか而，光ひかり电设备因いん為ため将はた电能转换为光能のう再さい轉回てんかい電でん能のう，會かい損失そんしつ30％的てき能のう量りょう。此转换也会かい减慢消息しょうそく的てき传输速度そくど。全ぜん光学こうがく计算机つくえ不ふ需要じゅよう光学こうがく-电学-光学こうがく（OEO）转换，因いん此减少しょう了りょう对电力りょく的てき需求。

有ゆう些应用よう的てき设备，像ぞう是ぜ合成ごうせい孔あな径みち雷かみなり达（SAR）和わ光学こうがく相しょう关器，已やめ可か以用光学こうがく计算的てき原理げんり來らい設計せっけい。例れい如可以使用しよう相しょう关器来らい检测和わ跟踪对象，并对串くし行ゆき时域光学こうがく数すう据すえ进行分ぶん类。

二进制数字计算机的光学元件

现代电子计算机つくえ的てき基本きほん构件是ぜ晶あきら体からだ管かん。为了用よう光学こうがく元もと件けん取と代だい电子元もと件けん，需要じゅよう一いち个相当そうとう的てき光学こうがく晶あきら体からだ管かん。这需要よう使用しよう具有ぐゆう非ひ线性折おり射しゃ率りつ的てき材料ざいりょう来らい实现。特とく别是，存在そんざい一いち些材料りょう，在ざい这些材料ざいりょう中ちゅう，入射にゅうしゃ光こう的てき强度きょうど以类似に于双极晶体からだ管かん的てき电流响应的てき方式ほうしき影かげ响通过该材料ざいりょう传输的てき光ひかり的てき强度きょうど。这种光学こうがく晶あきら体からだ管かん可用かよう于制造づくり光学こうがく逻辑门，而这些光学がく门又被ひ组装成なり计算机つくえ中央ちゅうおう处理器き（CPU）的てき高だか级部件けん。这些将しょう是非ぜひ线性光学こうがく晶あきら体からだ，用よう于操纵光束たば以控制せい其他光こう束たば。

像ぞう任にん何なん计算系けい统一样，光学こうがく计算系けい统需要じゅよう三样东西才能良好运作。

1. 光学こうがく处理器き
2. 光学こうがく数すう据すえ传输，例れい如光纤电缆
3. 光ひかり存そん储

代替だいたい电气元もと件けん需要じゅよう将しょう数すう据すえ格式かくしき从光子こうし转换为电子こ，这将使し系けい统变得どく更さら慢。

争そう论

对于光学こうがく计算机つくえ的てき未来みらい能力のうりょく，研究けんきゅう人じん员之间存在そんざい一いち些分歧；它们是ぜ否ひ可能かのう在ざい速度そくど、功こう耗、成本なりもと和かず尺寸しゃくすん方面ほうめん与あずか基もと于半导体的てき电子计算机つくえ竞争，是ぜ一个开放的问题。批评者しゃ指出さしで现实世界せかい的てき逻辑系けい统需要よう "逻辑级恢复、级联性せい、扇おうぎ出いずる和かず输入输出隔へだた离"，所有しょゆう这些目前もくぜん都みやこ由ゆかり电子晶あきら体からだ管かん以低成本なりもと、低てい功こう率りつ和わ高速度こうそくど提供ていきょう。为了使し光こう逻辑在ざい少数しょうすう利り基もと应用之の外そと具有ぐゆう竞争力りょく，需要じゅよう在ざい非ひ线性光こう器き件けん技わざ术方面ほうめん取得しゅとく重大じゅうだい突破とっぱ，或ある者もの也许需要じゅよう改あらため变计算さん本身ほんみ的てき性せい质。

误解、挑战和わ前景ぜんけい

光ひかり计算的てき一个重大挑战是，计算是ぜ一いち个非ひ线性过程，其中多た个信号ごう必须相互そうご作用さよう。光ひかり是ぜ一いち种电磁波は，只ただ有ゆう在ざい材料ざいりょう中ちゅう存在そんざい电子的てき情じょう况下才能さいのう与あずか另一种电磁波互动，而这种互动的强度きょうど对于电磁波は，比ひ如光，比ひ传统计算机つくえ的てき电子信号しんごう要よう弱じゃく得とく多た。这可能かのう导致光学こうがく计算机つくえ的てき处理元もと件けん比ひ使用しよう晶あきら体からだ管かん的てき传统电子计算机つくえ需要じゅよう更さら多た的てき功こう率りつ和わ更さら大だい的てき尺寸しゃくすん。。

另一个误解かい是ぜ，由ゆかり于光的てき速度そくど比ひ电子的てき漂移速度そくど快かい得とく多た，而且频率以THz为单位い，所以ゆえん光学こうがく晶あきら体からだ管かん应该能のう够实现极高だか的てき频率。然しか而，任にん何なん电磁波なみ都と必须遵守じゅんしゅ转换极限，因いん此，光ひかり晶あきら体からだ管かん对信号ごう的てき响应速度そくど仍受其光ひかり谱带宽的まと限げん制せい。在ざい光ひかり纤通信つうしん中なか，诸如色いろ散ち等とう实际限げん制せい往往おうおう将はた信道のぶみち的てき带宽限げん制せい在ざい10几兆赫，只ただ比ひ许多硅晶体からだ管かん略りゃく好このみ。因よし此，要よう想そう获得比ひ电子晶あきら体からだ管かん更さら快かい的てき运行速度そくど，就需要よう采さい用よう实用的てき方法ほうほう，将はた超ちょう短たん脉冲沿着高だか色しょく散ち波なみ导传输。

光子こうし逻辑

Realization of a photonic controlled-NOT gate for use in quantum computing

光子こうし逻辑是ぜ在ざい逻辑门中ちゅう使用しよう光子こうし（光ひかり）（NOT、AND、OR、NAND、NOR、XOR、XNOR）。当とう两个或ある更さら多た的てき信号しんごう结合在ざい一いち起おこり时，使用しよう非ひ线性光学こうがく效こう应获得开关。

谐振器き在ざい光子こうし逻辑中ちゅう特とく别有用よう，因いん为它们允许从建けん设性干涉かんしょう中ちゅう积累能のう量りょう，从而增强ぞうきょう光学こうがく非ひ线性效こう应。

其他已やめ被ひ研究けんきゅう的てき方法ほうほう包括ほうかつ在ざい分子ぶんし水平すいへい的てき光子こうし逻辑，使用しよう光ひかり致发光こう化学かがく品ひん。在ざい一いち次じ演えんじ示しめせ中ちゅう，Witlicki等とう人じん利用りよう分子ぶんし和わSERS进行了りょう逻辑运算。

非常ひじょう规方法ほう

时间延のべ迟光学がく计算

其基本きほん思想しそう是延これのぶ迟光（或ある任にん何なん其他信号しんごう）以进行ぎょう有用ゆうよう的てき计算。 令れい人ひと感かん兴趣的てき是ぜ解かい决NP完全かんぜん问题，因いん为这些问题对传统计算机つくえ来らい说是很困难的。

在ざい这种方法ほうほう中ちゅう实际使用しよう了りょう光こう的てき2个基本きほん特性とくせい。

• 光ひかり可か以通过一定长度的光纤而被延迟。
• 光ひかり可か以被分割ぶんかつ成なり多た条じょう（子こ）光ひかり线。这一特性也是至关重要的，因いん为我们可以在同どう一时间内评估多个解决方案。

当とう解かい决一个有时间延迟的问题时，必须遵循以下いか步ふ骤。

• 第だい一步是创建一个由光缆和分割器组成的图状结构。每まい个图都と有ゆう一个起始节点和一个目的节点。
• 光ひかり线从起おこり始はじめ节点进入并穿越えつ图形，直ちょく到いた到いた达目的もくてき地ち。在ざい通どおり过弧线时，它会被ひ延のべ迟，并在节点内部ないぶ被ひ分割ぶんかつ。
• 光ひかり线在通どおり过弧线或节点时被标记，这样我わが们就可か以在目的もくてき地ち节点轻松地ち识别这一事いちじ实。
• 在ざい目的もくてき地ち节点，我わが们将等とう待まち在ざい某ぼう一いち（些）特定とくてい时刻到いた达的信号しんごう（信号しんごう强度きょうど的てき波なみ动）。如果在ざい那な一刻没有信号到达，这意味いみ着ぎ我わが们的问题没ぼつ有ゆう解かい决方案あん。否いや则，问题就有了解りょうかい决方案あん。波なみ动可以用一いち个光ひかり电探测器和わ一いち个示しめせ波なみ器き来らい读取。

第だい一个以这种方式攻击的问题是哈密顿路径みち问题。。

最さい简单的てき是ぜ子こ集しゅう和わ问题。 一いち个解决有4个数字すうじ{a1, a2, a3, a4}的てき实例的てき光学こうがく装置そうち被ひ描述如下。

。

光ひかり线将进入开始节点。它将被ひ分ぶん成なり2条じょう强度きょうど较小的てき（子こ）光ひかり线。这两条じょう光こう线将在ざいa1和わ0的てき时刻到いた达第二に个节点てん。 将はた在ざい0、a1、a2和わa1+a2的てき时刻到いた达第三さん个节点てん。这些代表だいひょう了りょう集合しゅうごう{a1, a2}的てき所有しょゆう子こ集しゅう。我わが们期望もち信号しんごう的てき强度きょうど在ざい不ふ超ちょう过4个不同どう时刻出で现波动。在ざい目的もくてき节点，我わが们期望もち波は动不超ちょう过16个不同ふどう的てき时刻（这是给定的てき所有しょゆう子こ集しゅう）。如果我わが们在目め标时刻こくB有ゆう波なみ动，就意味いみ着ぎ我わが们有问题的てき解かい决方案あん，否いや则就没ぼつ有元ありもと素之もとゆき和わ等とう于B的てき子こ集しゅう。对于实际执行，我わが们不可能ふかのう有ゆう零れい长度的てき电缆，因いん此所有しょゆう的てき电缆都と增加ぞうか了りょう一いち个小的てき（对所有しょゆう的てき固定こてい）值k。在ざい这种情じょう况下，预计解かい决方案あん在ざい时刻B+n*k。

基もと于波长的计算

基もと于波长的计算可か以用来らい解かい决3-SAT问题，该问题有n个变量りょう，m个条款，每まい个条款的变量不ふ超ちょう过3个。每まい一いち个波长，包含ほうがん在ざい一いち条じょう光こう线中，被ひ认为是ぜ对n个变量的りょうてき可能かのう赋值。

通つう过在透明とうめい胶片上じょう施ほどこせ胶来计算

这种方法ほうほう使用しよう施ほどこせ乐机和わ透明とうめい片へん进行计算。 k-SAT问题有ゆうn个变量りょう，m个子句く，每まい个子句く最多さいた有ゆうk个变量りょう，已やめ分ぶん3步ほ解かい决：

• 首くび先さき通どおり过进行ぎょうn次じ施ほどこせ胶拷贝，产生了りょうn个变量的りょうてき所有しょゆう2^n次じ可能かのう的てき分配ぶんぱい。
• 使用しよう最多さいた 2k 份真值表，每まい个条款同时在真ま值表的てき每ごと一いち行ぎょう进行评估。
• 通つう过对所有しょゆうm个子句く的てき重じゅう叠透明とうめい片へん进行一いち次じ拷贝操作そうさ，就可以得到いた解かい。

Shaked等とう人ひと（2007）已やめ经解决了旅行りょこう推销员问题 by using an optical approach. 所有しょゆう可能かのう的てきTSP路ろ径みち都と已やめ生成せいせい并存储在一个二进制矩阵中，该矩阵与另一个包含城市间距离的灰度向量相乘。乘法じょうほう是ぜ通どおり过使用しよう一个光学相关器以光学方式进行的。

光学こうがく傅でん里さと叶かのう协处理り器き

许多计算，特とく别是科学かがく应用，需要じゅよう经常使用しよう二に维离散傅でん里さと叶かのう变换（DFT）--例れい如，在ざい解かい决描述じゅつ波は的てき传播或ある热的传递的てき微分びぶん方かた程ほど时。尽つき管かん现代GPU技わざ术通常つうじょう能のう够高速そく计算大型おおがた二に维DFT，但ただし已やめ经开发出的てき技わざ术可以通过利用りよう自然しぜん的てき镜头的てき傅でん里さと叶かのう变换特性とくせい来らい进行连续傅でん里さと叶かのう变换。输入是ぜ通どおり过一个液晶えきしょう空そら间光调制器き进行编码的てき。空そら间光调制器き对输入にゅう进行编码，并使用しよう传统的てきCMOS或あるCCD图像传感器き测量结果。由よし于光学がく传播固有こゆう的てき高度こうど互连性せい质，这种光学こうがく架か构可以提供ていきょう卓越たくえつ的てき计算复杂性せい扩展，并已被ひ用よう于解决二に维热方かた程ほど。

伊い辛からし机つくえ

设计灵感来き自じ于理论易えき辛からし模型もけい的てき物理ぶつり计算机つくえ被ひ称しょう为Ising机つくえ。

山本やまもと义久在ざい斯坦福ぶく大学だいがく的てき实验室しつ率先そっせん使用しよう光子こうし建造けんぞう伊い辛からし机つくえ。最初さいしょ，山本やまもと和かず他た的てき同どう事こと使用しよう激げき光こう器き、镜子和わ其他在ざい光学こうがく台だい上うえ常つね见的光学こうがく元もと件けん建造けんぞう了りょう一いち台だい伊い辛からし机つくえ。

后きさき来らい，惠めぐみ普ひろし实验室しつ的てき一个团队开发了光子こうし集成しゅうせい电路设计工具こうぐ，并利用りよう这些工具こうぐ在ざい单个芯しん片上かたがみ建立こんりゅう了りょう一いち台だい伊い辛からし机つくえ，在ざい该单个芯片上かたがみ集成しゅうせい了りょう1052个光学がく元もと件けん。。

另见

• 线性光学こうがく量子りょうし计算
• 光学こうがく神しん经网络
• 光子こうし集成しゅうせい电路
• 光子こうし分子ぶんし
• 光子こうし晶あきら体からだ管かん

延伸えんしん阅读

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• Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist
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外部がいぶ链接

• This Laser Trick's a Quantum Leap（页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）
• Photonics Startup Pegs Q2'06 Production Date（页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）
• Stopping light in quantum leap（页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）
• High Bandwidth Optical Interconnects（页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）
• https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y（页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆） (Movie: Computing by xeroxing on transparencies)