關于光學計算，你可以了解這些！
光學計算是一種使用光或光子的計算方法，與使用半導體芯片中的電子晶體管的傳統(tǒng)方法不同。 Ni!;-,H+E
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。 &{zwM |Q@?
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域的研發(fā)熱情。 p:J RQT"A
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。 p ,w|=@=
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工作原理： 引導光子 @ )vy'qP d
光學計算通過調節(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”。 GG_^K#*
這種編碼信息通過由非線性晶體、調制器和干涉儀等光學元件組成的復雜的互連邏輯門網(wǎng)絡進行引導。這些邏輯門執(zhí)行計算，最終輸出由光子探測器檢測。 =_8
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基本光學計算需要四個主要組件：光源、介質、調制器和探測器。 1Y=AT!"V
光源 M'umoZmW0
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。 Q+b.-iWR
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。 |^Ew<
介質 ,@Fgr(?'`>
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介質具有高透明度、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。 5#0A`QO
調制器 % j *k
調制器可改變特定的光學特性，如強度、相位或偏振，從而構建光子邏輯門，實現(xiàn)計算讀取。 [,<\RviI
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制器集成在一起。 ADYx.8M|9i
探測器 ovd^,?ib
探測器用于提取光學參數(shù)，并將其高精度地轉換為電子讀數(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。 'Aj(i/CM
有了所有這些元件，就可以構建邏輯門陣列，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創(chuàng)建一個 AND 門。來自單一光源的光子通過波導進入非線性晶體。 -9OMn}w/*
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換光子。 TBZ-1 7+
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。 #\p P2
光學計算有哪些應用？ cBifZv*l
與電子計算機不同，光學計算機可提供眾多應用。圖像處理、人工智能（AI）和 DNA 測序等領域會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)集，令電子計算機不堪重負。 ~reQV6oQua
傳統(tǒng)的計算設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雜的計算基礎設施和冷卻機制來管理產(chǎn)生的大量熱量。 (PS$e~H s
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，這項技術的處理速度要快得多。 m ~u|VgD
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)被轉換成帶有特定標簽的光子，并在全球范圍內傳輸。在接收端，光信號被轉換回電信號，生成有用的信息。光計算可以省去這些轉換過程，從而提高通信效率并降低成本。 CKv&Re
量子計算是光計算大有可為的另一個領域。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整，就能促進經(jīng)典計算和量子計算之間的切換。 Nush`?]J"_
最后，光學計算在醫(yī)學領域具有巨大潛力。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。 )=jT_?9b
光學計算與電子計算： 優(yōu)缺點 xLx"*jyL
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的電子計算機不同，光學計算產(chǎn)生的熱量可以忽略不計。 ~`t%M?l
它可以通過并行和獨立計算更輕松地處理復雜問題，而由于干擾問題，在極小的空間范圍內，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。 !8xKf*y
光路的運行速度更高，開關時間可快至幾皮秒，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。 >ik1]!j]Lv
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。 ~ HK1X
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，但要想更廣泛地應用，進一步微型化是必不可少的。 %z*29iKlI
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。 m[Z6VHn
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