光學(xué)計(jì)算是一種使用光或光子的計(jì)算方法，與使用半導(dǎo)體芯片中的電子晶體管的傳統(tǒng)方法不同。

這一概念于20世紀(jì)80年代初提出，用于執(zhí)行傅立葉變換等計(jì)算，而傳統(tǒng)計(jì)算方法需要耗費(fèi)大量資源和時(shí)間。例如，使用電子計(jì)算機(jī)對(duì) 1000x1000 像素的圖像進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）至少需要一百萬次運(yùn)算，而一個(gè)簡(jiǎn)單的透鏡就能實(shí)時(shí)完成同樣的任務(wù)。

盡管光學(xué)計(jì)算最初大有可為，但由于材料的限制，制造實(shí)用設(shè)備具有挑戰(zhàn)性，因此人們對(duì)光學(xué)計(jì)算的興趣逐漸減弱。然而，隨著人們對(duì)更高計(jì)算能力的需求不斷增長(zhǎng)，最近又重新點(diǎn)燃了這一領(lǐng)域的研發(fā)熱情。

越來越多的人認(rèn)識(shí)到，光學(xué)方法比電子計(jì)算更有優(yōu)勢(shì)，尤其是在新興的量子時(shí)代。

圖片:搜狗截圖20250127223337.png

工作原理： 引導(dǎo)光子

光學(xué)計(jì)算通過調(diào)節(jié)光的特性（如強(qiáng)度、相位、偏振和波長(zhǎng)）來編碼和處理信息。例如，高強(qiáng)度可代表二進(jìn)制 “1”，而低強(qiáng)度則代表 “0”。

這種編碼信息通過由非線性晶體、調(diào)制器和干涉儀等光學(xué)元件組成的復(fù)雜的互連邏輯門網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行引導(dǎo)。這些邏輯門執(zhí)行計(jì)算，最終輸出由光子探測(cè)器檢測(cè)。

基本光學(xué)計(jì)算需要四個(gè)主要組件：光源、介質(zhì)、調(diào)制器和探測(cè)器。

光源

光源在光子產(chǎn)生的初始階段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。對(duì)于需要寬光譜的應(yīng)用，可使用量子點(diǎn)、白光超連續(xù)激光器和光參量振蕩器等光源。對(duì)于時(shí)域量子計(jì)算，則使用短激光脈沖來實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間標(biāo)記輸出。

為了開發(fā)緊湊實(shí)用的光學(xué)計(jì)算平臺(tái)，垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）和微發(fā)光二極管（mLED）是首選。這些光源非常適合集成到微型芯片和有限的空間環(huán)境中。

介質(zhì)

要實(shí)現(xiàn)高保真光學(xué)計(jì)算，光子在傳輸過程中必須盡量減少損耗。這就要求特殊的引導(dǎo)介質(zhì)具有高透明度、明顯的折射率對(duì)比和易于制造等特性。光纖和光子晶體通常用于特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的無損信號(hào)傳輸。在需要大帶寬的情況下，通常會(huì)選擇自由空間傳播，以避免不同波長(zhǎng)之間的損耗。

調(diào)制器

調(diào)制器可改變特定的光學(xué)特性，如強(qiáng)度、相位或偏振，從而構(gòu)建光子邏輯門，實(shí)現(xiàn)計(jì)算讀取。

非線性晶體通常用于同時(shí)執(zhí)行涉及兩個(gè)光子的邏輯運(yùn)算。這些晶體與分光鏡和干涉儀等其他調(diào)制器集成在一起。

探測(cè)器

探測(cè)器用于提取光學(xué)參數(shù)，并將其高精度地轉(zhuǎn)換為電子讀數(shù)�；�于芯片的計(jì)算通常使用光電二極管、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和量子點(diǎn)探測(cè)器，因?yàn)檫@些探測(cè)器易于集成到空間受限的設(shè)計(jì)中。探測(cè)器的選擇取決于速度、靈敏度、波長(zhǎng)范圍和集成要求等因素，以確保高效可靠的光探測(cè)。

有了所有這些元件，就可以構(gòu)建邏輯門陣列，根據(jù)光子參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。例如，可以使用分光鏡和非線性介質(zhì)創(chuàng)建一個(gè) AND 門。來自單一光源的光子通過波導(dǎo)進(jìn)入非線性晶體。

上變頻光子被特定波長(zhǎng)的探測(cè)器檢測(cè)到，并被解釋為 “1”，而沒有上變頻光子則被讀為 “0”。只有當(dāng)兩個(gè)光子在非線性晶體上疊加時(shí)，柵極才會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)，從而發(fā)射并檢測(cè)到新的上轉(zhuǎn)換光子。

在大型光學(xué)計(jì)算平臺(tái)中，此類邏輯門陣列并行運(yùn)行，以執(zhí)行現(xiàn)實(shí)世界中的計(jì)算。

光學(xué)計(jì)算有哪些應(yīng)用？

與電子計(jì)算機(jī)不同，光學(xué)計(jì)算機(jī)可提供眾多應(yīng)用。圖像處理、人工智能（AI）和 DNA 測(cè)序等領(lǐng)域會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)集，令電子計(jì)算機(jī)不堪重負(fù)。

傳統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備在散熱和處理速度方面存在困難，而光學(xué)計(jì)算則提供了一種更高效的替代方案。例如，訓(xùn)練大型人工智能模型需要復(fù)雜的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和冷卻機(jī)制來管理產(chǎn)生的大量熱量。

光學(xué)計(jì)算大大增強(qiáng)了人工智能模型的開發(fā)，尤其是需要并行訓(xùn)練和實(shí)施的大型語言模型。與傳統(tǒng)方法相比，這項(xiàng)技術(shù)的處理速度要快得多。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸越來越依賴于光學(xué)傳輸機(jī)制。大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成帶有特定標(biāo)簽的光子，并在全球范圍內(nèi)傳輸。在接收端，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，生成有用的信息。光計(jì)算可以省去這些轉(zhuǎn)換過程，從而提高通信效率并降低成本。

量子計(jì)算是光計(jì)算大有可為的另一個(gè)領(lǐng)域。由于光學(xué)計(jì)算利用光子特性進(jìn)行計(jì)算，而其中一些特性本身就是量子性質(zhì)的（如相位和偏振），因此在光學(xué)計(jì)算環(huán)境中集成量子計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)光源和探測(cè)器稍作調(diào)整，就能促進(jìn)經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算之間的切換。

最后，光學(xué)計(jì)算在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大潛力。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）等成像技術(shù)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)集被重建為傅立葉變換圖像，以提取醫(yī)學(xué)信息。光學(xué)計(jì)算可并行執(zhí)行此類傅立葉變換，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)疾病監(jiān)測(cè)和快速診斷。

光學(xué)計(jì)算與電子計(jì)算： 優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，光學(xué)計(jì)算具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。與需要主動(dòng)冷卻介質(zhì)的電子計(jì)算機(jī)不同，光學(xué)計(jì)算產(chǎn)生的熱量可以忽略不計(jì)。

它可以通過并行和獨(dú)立計(jì)算更輕松地處理復(fù)雜問題，而由于干擾問題，在極小的空間范圍內(nèi)，電子計(jì)算是不可能做到這一點(diǎn)的。與電子芯片相比，光路的擴(kuò)展更簡(jiǎn)單、更具成本效益，因?yàn)樵陔娮有酒�中，由于制造工藝的限制，往往需要耦合更小的元件�?/p>

光路的運(yùn)行速度更高，開關(guān)時(shí)間可快至幾皮秒，比電路快約 1000 倍。它們對(duì)能量的要求也較低，僅光子源和探測(cè)器需要輸入大部分能量，而不像電子元件需要內(nèi)在電壓偏置。此外，由于光子不會(huì)相互干擾，因此光學(xué)計(jì)算機(jī)不易發(fā)生短路。

盡管具有這些優(yōu)勢(shì)，但挑戰(zhàn)依然存在。光路元件價(jià)格昂貴，將光學(xué)門集成到芯片上是一個(gè)復(fù)雜的過程。光學(xué)計(jì)算單元的尺寸仍然相對(duì)較大，因此難以進(jìn)行工業(yè)化擴(kuò)展。

此外，光學(xué)計(jì)算模型對(duì)外部因素高度敏感；即使是很小的灰塵顆粒也會(huì)破壞計(jì)算輸出。盡管光學(xué)元件已達(dá)到微米級(jí)，但要想更廣泛地應(yīng)用，進(jìn)一步微型化是必不可少的。

盡管如此，光學(xué)計(jì)算仍在不斷進(jìn)步，以解決傳統(tǒng)電子系統(tǒng)在速度、能效和可擴(kuò)展性方面的局限性。

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