光學計算是一種使用光或光子的計算方法，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80年代初提出，用于執(zhí)行傅立葉變換等計算，而傳統(tǒng)計算方法需要耗費大量資源和時間。例如，使用電子計算機對 1000x1000 像素的圖像進行快速傅立葉變換（FFT）至少需要一百萬次運算，而一個簡單的透鏡就能實時完成同樣的任務(wù)。

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

越來越多的人認識到，光學方法比電子計算更有優(yōu)勢，尤其是在新興的量子時代。

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工作原理： 引導(dǎo)光子

光學計算通過調(diào)節(jié)光的特性（如強度、相位、偏振和波長）來編碼和處理信息。例如，高強度可代表二進制 “1”，而低強度則代表 “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元件組成的復(fù)雜的互連邏輯門網(wǎng)絡(luò)進行引導(dǎo)。這些邏輯門執(zhí)行計算，最終輸出由光子探測器檢測。

基本光學計算需要四個主要組件：光源、介質(zhì)、調(diào)制器和探測器。

光源

光源在光子產(chǎn)生的初始階段對數(shù)據(jù)進行編碼。對于需要寬光譜的應(yīng)用，可使用量子點、白光超連續(xù)激光器和光參量振蕩器等光源。對于時域量子計算，則使用短激光脈沖來實現(xiàn)精確的時間標記輸出。

為了開發(fā)緊湊實用的光學計算平臺，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)

要實現(xiàn)高保真光學計算，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、明顯的折射率對比和易于制造等特性。光纖和光子晶體通常用于特定波長范圍內(nèi)的無損信號傳輸。在需要大帶寬的情況下，通常會選擇自由空間傳播，以避免不同波長之間的損耗。

調(diào)制器

調(diào)制器可改變特定的光學特性，如強度、相位或偏振，從而構(gòu)建光子邏輯門，實現(xiàn)計算讀取。

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

探測器

探測器用于提取光學參數(shù)，并將其高精度地轉(zhuǎn)換為電子讀數(shù)。基于芯片的計算通常使用光電二極管、互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和量子點探測器，因為這些探測器易于集成到空間受限的設(shè)計中。探測器的選擇取決于速度、靈敏度、波長范圍和集成要求等因素，以確保高效可靠的光探測。

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)進行計算。例如，可以使用分光鏡和非線性介質(zhì)創(chuàng)建一個 AND 門。來自單一光源的光子通過波導(dǎo)進入非線性晶體。

上變頻光子被特定波長的探測器檢測到，并被解釋為 “1”，而沒有上變頻光子則被讀為 “0”。只有當兩個光子在非線性晶體上疊加時，柵極才會產(chǎn)生輸出信號，從而發(fā)射并檢測到新的上轉(zhuǎn)換光子。

在大型光學計算平臺中，此類邏輯門陣列并行運行，以執(zhí)行現(xiàn)實世界中的計算。

光學計算有哪些應(yīng)用？

與電子計算機不同，光學計算機可提供眾多應(yīng)用。圖像處理、人工智能（AI）和 DNA 測序等領(lǐng)域會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)集，令電子計算機不堪重負。

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

光學計算大大增強了人工智能模型的開發(fā)，尤其是需要并行訓練和實施的大型語言模型。與傳統(tǒng)方法相比，這項技術(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傳輸機制。大量數(shù)字數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成帶有特定標簽的光子，并在全球范圍內(nèi)傳輸。在接收端，光信號被轉(zhuǎn)換回電信號，生成有用的信息。光計算可以省去這些轉(zhuǎn)換過程，從而提高通信效率并降低成本。

量子計算是光計算大有可為的另一個領(lǐng)域。由于光學計算利用光子特性進行計算，而其中一些特性本身就是量子性質(zhì)的（如相位和偏振），因此在光學計算環(huán)境中集成量子計算相對簡單。對光源和探測器稍作調(diào)整，就能促進經(jīng)典計算和量子計算之間的切換。

最后，光學計算在醫(yī)學領(lǐng)域具有巨大潛力。計算機斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）等成像技術(shù)會產(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)學信息。光學計算可并行執(zhí)行此類傅立葉變換，實現(xiàn)實時疾病監(jiān)測和快速診斷。

光學計算與電子計算： 優(yōu)缺點

與傳統(tǒng)計算方法相比，光學計算具有多項優(yōu)勢。與需要主動冷卻介質(zhì)的電子計算機不同，光學計算產(chǎn)生的熱量可以忽略不計。

它可以通過并行和獨立計算更輕松地處理復(fù)雜問題，而由于干擾問題，在極小的空間范圍內(nèi)，電子計算是不可能做到這一點的。與電子芯片相比，光路的擴展更簡單、更具成本效益，因為在電子芯片中，由于制造工藝的限制，往往需要耦合更小的元件。

光路的運行速度更高，開關(guān)時間可快至幾皮秒，比電路快約 1000 倍。它們對能量的要求也較低，僅光子源和探測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，由于光子不會相互干擾，因此光學計算機不易發(fā)生短路。

盡管具有這些優(yōu)勢，但挑戰(zhàn)依然存在。光路元件價格昂貴，將光學門集成到芯片上是一個復(fù)雜的過程。光學計算單元的尺寸仍然相對較大，因此難以進行工業(yè)化擴展。

此外，光學計算模型對外部因素高度敏感；即使是很小的灰塵顆粒也會破壞計算輸出。盡管光學元件已達到微米級，但要想更廣泛地應(yīng)用，進一步微型化是必不可少的。

盡管如此，光學計算仍在不斷進步，以解決傳統(tǒng)電子系統(tǒng)在速度、能效和可擴展性方面的局限性。

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