光子计算机

光子计算机（亦称光脑）是指以光子替代电子的先进计算机。电流会令电脑不断发热（过量的热，可损坏电脑），光脑则可以降低的发热量而无需牺牲其计算效能，比电脑有更高带宽。

大多数研究项目都专注于用光学等效物替换当前的计算机组件，从而导致光学数字计算机系统处理二进制数据。这种方法似乎为商业光学计算提供了最佳的短期前景，因为光学组件可以集成到传统计算机中以生产光电混合。然而，光电设备失去了30％的能量，将电子能量转换为光子并返回;此转换也会减慢消息的传输速度。全光学计算机不需要光电光学（OEO）转换，因此减少了对电力的需求。<ref> Nolte, D.D。. [https：//books.google.com/books？id = Q9lB-REWP5EC＆pg = PA34 以轻快的速度思考：一种新的智力]. Simon和Schuster. 2001: 34. ISBN 978-0-7432-0501-6.  </ ref>

特定于应用的设备，例如合成孔径雷达（SAR）和“光学相关器 s”，被设计成使用光学计算的原理。例如，可以使用相关器来检测和跟踪对象，<ref> Feitelson, Dror G. Chapter 3：Optical Image and Signal Processing. Optical Computing：A Survey for Computer Scientists. Cambridge，Massachusetts: MIT Press. 1988. ISBN 978-0-262-06112-4.  </ ref>并对串行时域光学数据进行分类。<ref> { {cite journal | last = Kim | first = S. K. | last2 = Goda | first2 = K。| last3 = Fard | first3 = A. M. | last4 = Jalali | first4 = B。| title =用于高速实时图像识别的光时域模拟模式相关器| journal = Optics Letters | volume = 36 | issue = 2 | pages = 220-2 | date = 2011 | doi = 10.1364 / ol.36.000220 | pmid = 21263506 | bibcode = 2011OptL ... 36..220K}} </ ref>

二进制数字计算机的光学组件

现代电子计算机的基本构件是晶体管。要用光学元件替换电子元件，需要等效的光学晶体管。这是使用具有非线性折射率的材料实现的。特别是，材料存在<ref> [https：//www.rp-photonics.com/nonlinear_index.html 激光物理与技术百科全书 - 非线性指数，克尔效应].  </ ref>其中入射光的强度以与双极晶体管的电流响应类似的方式影响透过材料的光的强度。这样的光学晶体管<ref> Jain, K.; Pratt，Jr。, G. W. 光学晶体管. Appl。物理学。快报。. 1976, 28 (12): 719. Bibcode:1976ApPhL..28..719J. doi:10.1063 / 1.88627 .  </ ref> <ref name = jainprattpatent> {{cite patent | country = US | number = 4382660 | title =光学晶体管和包含它的逻辑电路 | pubdate = 1983年5月10日 | fdate = 1976年6月16日 | pridate = 1976年6月16日 | invent1 = K.耆那教 | invent2 = G.W.普拉特，小 </ ref>可用于创建光学逻辑门，，它们又组装到计算机CPU的更高级别组件中。这些将是用于操纵光束以控制其他光束的非线性光学晶体。

像任何计算系统一样，光学计算系统需要三件事才能正常运行： ＃光学处理器 ＃光学数据传输，例如光纤电缆 ＃光存储，例如CD / DVD /蓝光等 替换电子元件将需要从光子到电子的数据格式转换，这将使系统变慢。

争议

研究人员对光学计算机的未来能力存在分歧;他们是否能够在速度，功耗，成本和尺寸方面与半导体电子计算机竞争是一个悬而未决的问题。评论家注意到<ref name =“Tucker”> Tucker, R.S。. 光学在计算中的作用. Nature Photonics. 2010, 4 (7): 405. ... 4 ..405T Bibcode:2010NaPho ... 4 ..405T . doi:10.1038 / nphoton.2010.162 .  </ ref>现实世界的逻辑系统需要“逻辑电平恢复，级联性，扇出和输入 - 输出隔离”，所有这些都是目前由电子晶体管以低成本提供的，低功率，高速。为了使光学逻辑在一些小众应用中具有竞争力，需要在非线性光学器件技术方面取得重大突破，或者可能改变计算本身的性质。<ref> Rajan, Renju; Babu, Padmanabhan Ramesh; Senthilnathan, Krishnamoorthy. 全光逻辑门显示光学计算的承诺. Photonics. Photonics Spectra. [2018年4月8日].  </ ref> <ref> Rajan, Renju; Babu, Padmanabhan Ramesh; Senthilnathan, Krishnamoorthy. - 光学晶体 - 光学计算 光子晶体的黎明：光学计算的大道. 光子晶体的理论基础和应用. Intech. 2018 [4 April 2018]. ISBN 978-953-51-3962-1. doi:10.5772 / intechopen.71253 .  </ REF>

误解，挑战和前景

光学计算的一个重大挑战是计算是一个非线性过程，其中多个信号必须相互作用。光是一种电磁波，只能在材料中存在电子的情况下与另一种电磁波相互作用，<ref> Paradox Lost：Quantum. 1996. ISBN 978-0387946597.  </ ref>的图像，这种相互作用的强度对于电磁波（例如光）比传统计算机中的电子信号弱得多。这可能导致光学计算机的处理元件需要比使用晶体管的传统电子计算机更大的功率和更大的尺寸。

进一步的误解Template:由谁是因为光可以比电子的漂移速度快得多，并且在太赫兹中测量的频率，光学晶体管应具有极高的频率。但是，任何电磁波必须遵守限制，因此光学晶体管对信号的响应速度仍受其光谱带宽的限制。然而，在光纤通信中，[[色散（光学）|色散]等实际限制通常将信道限制在10s GHz的带宽，仅比许多硅略好一些晶体管。因此，获得比电子晶体管快得多的操作将需要将超短脉冲传输到高色散波导的实用方法。

光子逻辑

thumb | right |用于量子计算的光子控制非门的实现

光子逻辑是在逻辑门中使用光子（light）（NOT，AND，OR，NAND，NOR，XOR，XNOR）。当两个或多个信号组合时，使用非线性光学效应获得切换。

谐振器在光子逻辑中特别有用，因为它们允许相长干涉积累能量，从而增强光学非线性效应。

已经研究的其他方法包括分子水平的光子逻辑，使用光致发光化学品。在一次演示中，Witlicki等人。使用分子和 SERS进行逻辑运算。<ref> Witlicki; Johnsen, Carsten; 汉森, Stinne W.; 西尔弗斯坦, Daniel W.; Bottomley, Vincent J.; Jeppesen, Jan O.; 黄, Eric W.; Jensen, Lasse; 洪水, Amar H. 分子逻辑门使用表面增强拉曼散射光. J.上午。化学。 Soc。. 2011, (19). PMID 21510609. doi:10.1021 / ja200992x .  </ ref>

非常规方法

时间延迟光学计算

基本思想是延迟光（或任何其他信号）以执行有用的计算。<ref name =“oltean_hamiltonian”> Mihai Oltean. 用于解决汉密尔顿路径的基于光的设备问题. Springer LNCS 4135. 2006. arXiv:0708.1496 . doi:10.1007 / 11839132_18 .  </ ref>感兴趣的是解决 NP-complete problems因为那些是困难的问题传统电脑。

在这种方法中实际使用的光有2种基本属性：

• 光线可以通过一定长度的光纤延迟。
• 光可以分成多个（子）光线。此属性也很重要，因为我们可以同时评估多个解决方案。

解决延时问题时，必须遵循以下步骤：

• 第一步是创建一个由光缆和分光器制成的图形结构。每个图都有一个起始节点和一个目标节点。
• 光线通过起始节点进入并遍历图形，直到到达目的地。通过弧线时它会延迟划分内部节点。
• 灯光在通过弧线或通过节点时被标记，以便我们可以轻松地在目标节点识别该事实。
• 在目的地节点，我们将等待一个特定时刻到达的信号（信号强度的波动）。如果此时没有信号到达，则意味着我们无法解决问题。否则问题有解决方案。可以使用光电探测器和示波器读取波动。

以这种方式攻击的第一个问题是Hamiltonian path problem。

最简单的是子集和问题。<ref> Mihai Oltean，Oana Muntean. 使用基于光的设备解决子集和问题. Natural Computing. 2009, (2): 321–331. arXiv:0708.1964 .  </ ref>解决具有4个数字{a1，a2，a3，a4}的实例的光学设备如下所示：

解决子集和问题的光学设备

灯将进入“开始”节点。它将被分成较小强度的2（子）光线。这两条光线将在时刻a1和0到达第二节点。它们中的每一个将被分成2个子阵列 将在0，a1，a2和a1 + a2时刻到达第3个节点。这些表示集合{a1，a2}的所有子集。我们预计信号强度的波动不会超过4个不同的时刻。在目标节点中，我们预计波动不超过16个不同的时刻（这是给定的所有子集。如果我们在目标时刻B有一个波动，这意味着我们有一个问题的解决方案，否则没有元素之和等于B的子集。对于实际实现，我们不能使用零长度电缆，因此所有电缆都增加了一个小的（全部固定）值k。在这种情况下，解决方案预计在B + n * k时刻。

基于波长的计算

基于波长的计算<ref> Sama Goliaei，Saeed Jalili. 基于光波长的3-SAT问题解决方案: 77–85. 2009. ... 77G Bibcode:2009LNCS.5882 ... 77G . doi:10.1007 / 978 -3-642-10442-8_10 .  </ ref>可用于解决 3-SAT问题的n个变量，m子句和每个子句不超过3个变量。包含在光线中的每个波长被认为是对n个变量的可能的值分配。光学装置包含棱镜，并且镜子用于区分满足公式的适当波长。

通过对透明胶片进行复印来计算

这种方法使用Xerox机器和透明工作表进行计算。<ref> Tom Head. Xeroxing在透明胶片上的并行计算. Algorithmic Bioprocesses. Springer: 631–637. 2009. doi:10.1007 / 978-3-540-88869-7_31 .  </ ref> k-SAT问题，包含n个变量，m个子句和最多k个变量每个子句已经分3个步骤解决：

• 首先，通过执行n个xerox副本生成了n个变量的所有2 ^ n个可能的赋值。
• 使用最多2k个真值表副本，同时在真值表的每一行评估每个子句。
• 通过对所有m个子句的重叠透明度进行单次复制操作来获得解决方案。

掩蔽光束

旅行商问题已在<ref> 有界NP完全问题的光学解. Applied Optics. 2007, 46 (5): 711–724. Bibcode:2007ApOpt..46..711S. doi:10.1364 / AO.46.000711 .  </ ref>使用光学方法。生成所有可能的TSP路径并将其存储在二进制矩阵中，该矩阵与包含城市之间距离的另一个灰度矢量相乘。通过使用光学相关器光学地执行乘法。

光学傅立叶协处理器

许多计算，特别是在科学应用中，需要频繁使用2D 离散傅立叶变换（DFT） - 例如在求解描述波传播或热传递的微分方程中。尽管现代GPU技术通常能够实现大型2D DFT的高速计算，但是已经开发了可以通过利用自然[光学的傅里叶光学傅立叶变换特性|透镜的傅里叶变换特性]来光学地执行DFT的技术。使用液晶 空间光调制器对输入进行编码，并使用传统的CMOS或CCD图像传感器测量结果。| pages = 677-681 | volume = 2 | doi = 10.1109 / TENCON.1994.369219}}

• Guha A.; Ramnarayan R.; Derstine M. ？id = 30367 设计光学中符号处理器的架构问题. 第14届计算机体系结构年度国际研讨会论文集（ISCA '87）. ACM. 1987: 145–151. ISBN 978-0-8186-0776-9. doi:10.1145 / 30350.30367 . 
• K.-H. Brenner，Alan Huang：“数字光学计算机的逻辑和架构（A）”，J。Opt。 SOC。 Am。，A 3,62，（1986）
• Brenner, K.-H。. = ao-27 -9-1687 基于符号替换的可编程光学处理器. Appl。选择。. 1988, 27 (9): 1687–91. Bibcode:1988ApOpt..27.1687B. PMID 20531637. doi:10.1364 / AO.27.001687 . 
• Streibl N.; Brenner K.-H.; Huang A.; Jahns J.; Jewell JL; Lohmann AW; Miller DAB; Murdocca MJ; Prize ME; Sizer II T. Digital Optics. Proc。 IEEE. 1989, 77 (12): 1954–69. doi:10.1109 / 5.48834 . 
• NASA科学家致力于改进光学计算技术，2000
• NP完全问题的光学解决方案
• Dolev, S.; Haist, T.; Oltean, M。. ？id = G6ZYwjKh_QcC 光学SuperComputing：第一届国际研讨会，OSC 2008，奥地利维也纳，2008年8月26日，会议录. Springer. 2008. ISBN 978-3-540-85672-6. 
• Dolev, S.; Oltean, M. = sl44EkMjcIkC 光学超级计算：第二届国际研讨会，OSC 2009，Bertinoro，意大利，2009年11月18 - 20日，会议录. Springer. 2009. ISBN 978-3-642-10441-1. 
• Dolev, S.; Oltean, M. = uf65jCXgFvwC 光学超级计算：第三届国际研讨会，OSC 2010，Bertinoro，意大利，2010年11月17日至19日，修订选定论文. Springer. 2011. ISBN 978-3-642-22493-5. 
• Dolev, S.; Oltean, M. [https：//books.google。 com / books？id = Sy-7BQAAQBAJ 光学超级计算：第四届国际研讨会，OSC 2012，纪念H. John Caulfield，Bertinoro，意大利，2012年7月19日至21日。修订选定论文]. Springer. 2013. ISBN 978-3-642-38250-5. 
• [1]新科学家
• Caulfield H.; Dolev S. 为什么未来的超级计算需要光学. Nature Photonics. 2010, 4 (5): 261–263. doi:10.1038 / nphoton.2010.94 . 
• Cohen E.; Dolev S.; Rosenblit M. 本能节能可逆门和电路的全光学设计. Nature Communications. 2016, 7: 11424. ... 711424C Bibcode:2016NatCo ... 711424C . PMC 4853429 . PMID 27113510. doi:10.1038 / ncomms11424 . 

外部链接

• [2]
• Photonics Startup Pegs Q2'06生产日期
• [3]
• [4]
• https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y（电影：通过透明胶片上的复印计算）

类别：光电 类别：计算机类 类别：新兴技术| pages = 677-681 | volume = 2 | doi = 10.1109 / TENCON.1994.369219}}

• Guha A.; Ramnarayan R.; Derstine M. ？id = 30367 设计光学中符号处理器的架构问题. 第14届计算机体系结构年度国际研讨会论文集（ISCA '87）. ACM. 1987: 145–151. ISBN 978-0-8186-0776-9. doi:10.1145 / 30350.30367 . 
• K.-H. Brenner，Alan Huang：“数字光学计算机的逻辑和架构（A）”，J。Opt。 SOC。 Am。，A 3,62，（1986）
• Brenner, K.-H。. = ao-27 -9-1687 基于符号替换的可编程光学处理器. Appl。选择。. 1988, 27 (9): 1687–91. Bibcode:1988ApOpt..27.1687B. PMID 20531637. doi:10.1364 / AO.27.001687 . 
• Streibl N.; Brenner K.-H.; Huang A.; Jahns J.; Jewell JL; Lohmann AW; Miller DAB; Murdocca MJ; Prize ME; Sizer II T. Digital Optics. Proc。 IEEE. 1989, 77 (12): 1954–69. doi:10.1109 / 5.48834 . 
• NASA科学家致力于改进光学计算技术，2000
• NP完全问题的光学解决方案
• Dolev, S.; Haist, T.; Oltean, M。. ？id = G6ZYwjKh_QcC 光学SuperComputing：第一届国际研讨会，OSC 2008，奥地利维也纳，2008年8月26日，会议录. Springer. 2008. ISBN 978-3-540-85672-6. 
• Dolev, S.; Oltean, M. = sl44EkMjcIkC 光学超级计算：第二届国际研讨会，OSC 2009，Bertinoro，意大利，2009年11月18 - 20日，会议录. Springer. 2009. ISBN 978-3-642-10441-1. 
• Dolev, S.; Oltean, M. = uf65jCXgFvwC 光学超级计算：第三届国际研讨会，OSC 2010，Bertinoro，意大利，2010年11月17日至19日，修订选定论文. Springer. 2011. ISBN 978-3-642-22493-5. 
• Dolev, S.; Oltean, M. [https：//books.google。 com / books？id = Sy-7BQAAQBAJ 光学超级计算：第四届国际研讨会，OSC 2012，纪念H. John Caulfield，Bertinoro，意大利，2012年7月19日至21日。修订选定论文]. Springer. 2013. ISBN 978-3-642-38250-5. 
• [5]新科学家
• Caulfield H.; Dolev S. 为什么未来的超级计算需要光学. Nature Photonics. 2010, 4 (5): 261–263. doi:10.1038 / nphoton.2010.94 . 
• Cohen E.; Dolev S.; Rosenblit M. 本能节能可逆门和电路的全光学设计. Nature Communications. 2016, 7: 11424. ... 711424C Bibcode:2016NatCo ... 711424C . PMC 4853429 . PMID 27113510. doi:10.1038 / ncomms11424 . 

外部链接

• [6]
• Photonics Startup Pegs Q2'06生产日期
• [7]
• [8]
• https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y（电影：通过透明胶片上的复印计算）

类别：光电 类别：计算机类 类别：新兴技术<ref> 具有直接相位测定的光学傅里叶变换协处理器. Scientific Reports. 2017, 7 (1): 13667. ... 713667M Bibcode:2017NatSR ... 713667M . PMC 5651838 . PMID 29057903. doi:10.1038 / s41598-017-13733-1 .  </ ref>

伊辛机

设计灵感来自理论Ising model的物理计算机称为Ising机器。 <ref> 阿德里安·卓。 [9]。 </ REF>

Yoshihisa Yamamoto率先使用光子构建伊辛机器。最初Yamamoto和他的同事使用激光器，镜子和光学平台上常见的其他光学元件构建了一台伊辛机器。 <ref name =“cartlidge”> 埃德温卡特里奇。 [10]。 </ REF>

后来[[Hewlett Packard实验室]的一个团队，包括Dave Kielpinski开发了光子芯片设计工具，并用它们在单个芯片上构建了一台Ising机器，在单个芯片上集成了1,052个光学元件。<ref name =“特兰“> 雷切尔考特兰。 [11]。 </ REF>

另见

• 线性光学量子计算
• 光学神经网络
• 光子集成电路
• 光子分子
• 光子晶体管

== ==参考

进一步阅读

• Feitelson, Dror G. 光学计算：计算机科学家调查. Cambridge，Massachusetts: MIT Press. 1988. ISBN 978-0-262- 06112-4. 
• McAulay, Alastair D. 光学计算机架构：光学概念在下一代计算机中的应用. New York，NY: John Wiley＆Sons. 1991. 
• Ibrahim TA; Amarnath K; Kuo LC; Grover R; Van V; Ho PT. 基于两个对称微环谐振器的光子逻辑NOR门. Opt Lett. 2004, 29 (23): 2779–81. ... 29.2779I Bibcode:2004OptL ... 29.2779I . PMID 15605503. doi:10.1364 / OL.29.002779 . 
• Biancardo M; Bignozzi C; Doyle H; Redmond G. 潜在的离子交换分子光子逻辑门. Chem。 COMMUN。. 2005, 0 (31): 3918–20. PMID 16075071. doi:10.1039 / B507021J . 
• Jahns, J.; Lee, S.H。 (编). [https：//books.google.com/books？id = SqCjBQAAQBAJ 光学计算硬件：光学计算]. Elsevier Science. 1993. ISBN 978-1-4832 -1844-1. 
• Barros S; Guan S; Alukaidey T. 使用自由空间光学互连和Petri网配置的MPP可重构架构. 系统架构期刊. 1997, 43 (6-7): 391–402. doi:10.1016 / S1383-7621（96）00053-7 . 
• [[Debabrata Goswami | D. Goswami]，“光学计算”，共鸣，2003年6月;同上，2003年7月。。在/学院/谐振/对July2003 / July2003p8-21.html
• Main T; Feuerstein RJ; Jordan HF; Heuring VP; Feehrer J; Love CE. uri = ao-33-8-1619 实现通用存储程序数字光学计算机. Applied Optics. 1994, 33 (8): 1619–28. Bibcode:1994ApOpt..33.1619M. PMID 20862187. doi:10.1364 / AO.33.001619 . 
• Guan, T.S。; Barros, S.P.V。. =＆arnumber = 336615 使用自由空间光通信的可重构多行为架构. IEEE国际会议论文集使用光学互连的大规模并行处理研讨会. IEEE. April 1994: 293–305. ISBN 978-0-8186-5832-7. doi:10.1109 / MPPOI.1994.336615 . 
• Guan, T.S。; Barros, S.P.V。. =＆arnumber = 369219 通过自由空间光学器件进行并行处理器通信. TENCON '94。 IEEE地区10年第九届国际年会。主题：计算机技术前沿 2. IEEE. August 1994: 677–681. ISBN 978-0-7803-1862-5. doi:10.1109 / TENCON.1994.369219 . 
• Guha A.; Ramnarayan R.; Derstine M. ？id = 30367 设计光学中符号处理器的架构问题. 第14届计算机体系结构年度国际研讨会论文集（ISCA '87）. ACM. 1987: 145–151. ISBN 978-0-8186-0776-9. doi:10.1145 / 30350.30367 . 
• K.-H. Brenner，Alan Huang：“数字光学计算机的逻辑和架构（A）”，J。Opt。 SOC。 Am。，A 3,62，（1986）
• Brenner, K.-H。. = ao-27 -9-1687 基于符号替换的可编程光学处理器. Appl。选择。. 1988, 27 (9): 1687–91. Bibcode:1988ApOpt..27.1687B. PMID 20531637. doi:10.1364 / AO.27.001687 . 
• Streibl N.; Brenner K.-H.; Huang A.; Jahns J.; Jewell JL; Lohmann AW; Miller DAB; Murdocca MJ; Prize ME; Sizer II T. Digital Optics. Proc。 IEEE. 1989, 77 (12): 1954–69. doi:10.1109 / 5.48834 . 
• NASA科学家致力于改进光学计算技术，2000
• NP完全问题的光学解决方案
• Dolev, S.; Haist, T.; Oltean, M。. ？id = G6ZYwjKh_QcC 光学SuperComputing：第一届国际研讨会，OSC 2008，奥地利维也纳，2008年8月26日，会议录. Springer. 2008. ISBN 978-3-540-85672-6. 
• Dolev, S.; Oltean, M. = sl44EkMjcIkC 光学超级计算：第二届国际研讨会，OSC 2009，Bertinoro，意大利，2009年11月18 - 20日，会议录. Springer. 2009. ISBN 978-3-642-10441-1. 
• Dolev, S.; Oltean, M. = uf65jCXgFvwC 光学超级计算：第三届国际研讨会，OSC 2010，Bertinoro，意大利，2010年11月17日至19日，修订选定论文. Springer. 2011. ISBN 978-3-642-22493-5. 
• Dolev, S.; Oltean, M. [https：//books.google。 com / books？id = Sy-7BQAAQBAJ 光学超级计算：第四届国际研讨会，OSC 2012，纪念H. John Caulfield，Bertinoro，意大利，2012年7月19日至21日。修订选定论文]. Springer. 2013. ISBN 978-3-642-38250-5. 
• [12]新科学家
• Caulfield H.; Dolev S. 为什么未来的超级计算需要光学. Nature Photonics. 2010, 4 (5): 261–263. doi:10.1038 / nphoton.2010.94 . 
• Cohen E.; Dolev S.; Rosenblit M. 本能节能可逆门和电路的全光学设计. Nature Communications. 2016, 7: 11424. ... 711424C Bibcode:2016NatCo ... 711424C . PMC 4853429 . PMID 27113510. doi:10.1038 / ncomms11424 . 

外部链接

• [13]
• Photonics Startup Pegs Q2'06生产日期
• [14]
• [15]
• https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y（电影：通过透明胶片上的复印计算）

类别：光电 类别：计算机类 类别：新兴技术