光学计算会是未来发展方向吗？

多年以前，“计算(computing)”只属于模拟电路领域。它们不能把多列数字累加起来，却可以求解复杂的微分方程式和其他方程序。一旦透过手动增益控制和接线板设置好，其实时性还是不错的(当然在其带宽限制范围之内)，如图1所示的计算机。

图1 Donner 3500是一款小型台式模拟计算机。其他全模拟计算机可能占满整个机架甚至一个小房间。(图片来源：Time-Line Computer Archive)

模拟功能(加法、减法、乘法、除法，以及微分和积分)的核心功能模块都采用了真空管计算放大器，例如George A. Philbrick Researches (GAP/R)的传奇K2-W，如图2所示。但它们很快就被离散晶体管计算放大器所替代，最终由集成电路(IC)取代。

图2 GAP/R的K2-W计算放大器实物及原理图，原理图中的数值单位为meg-ohms和pF。(图片来源：GAP/R校友Dan Sheingold)

计算机已经超越了电子学范畴。大约50年前，人们甚至激动地讨论过“流控(fluidic)”计算机，其基本原理是利用康达效应(Coanda effect)，即流体有离开本来流动的方向而改为随凸出的物体表面流动的倾向。它们利用塑料管中的水或空气来实现逻辑闸，逻辑闸之间透过标准柔软的塑料管相连，其优点是抗噪性好，缺点有很多，其中一个缺点是体积庞大、外形笨拙。一个典型的四输入“AND”或“OR”闸大约就有扑克牌一半大。基于空气的流控计算仍然是蚀刻微通道研究课题(勿与广泛使用的医疗仪器流体微信道混淆)，但我们要面对现实——它很难与摩尔定律(Moore’s Law)抗衡。

尽管还有一些研究在进行当中，但不可否认，模拟计算的时代已渐渐远去。现在，我们将“计算”与“数字”关联在一起(当然，从电子学和物理学的本质来看，数字电路本身就是模拟功能的一个细分子集，但这是另外一回事了)。最近出现了大量关于量子计算(quantum computing)的高阶研究项目，大量资金流入其中，然而我们并不清楚这是不是炒作，有多少希望，是否能够实现。我们还是静观其变，让那些比我更了解量子计算的专家来判断吧。

我们大可不必将自己局限于模拟、数字甚至量子计算。一些研究人员认为“生物(biologic)”计算才是真正的下一代计算，如果能研究出来的话。当然，它的速度可能比较慢(就像人脑)，但它会是一个灵活、通用、适应性强的自学“机器”，然而短期内这不会实现。毕竟，人类还没有真正弄清大脑的一些基本工作原理，例如大脑是怎样(而不是在哪里)保存影像和数据，或者在回忆一件事情时，为什么有时候立刻就能想起来，有时要等几小时这件事才忽然“蹦”到脑海里。或者想一想实现自动驾驶车需要的所有计算力和电力，几乎任何人都可以利用自己3磅重(1.4公斤)、功耗小于25W的超慢“生物计算机”，也就是大脑，透过学习然后计算出来。

但是，为什么要停止开发这些技术呢？因为人们正在进行光学计算的研究，鉴于光的带宽和速度，光学计算机可能运作速度快且功能强大。但控制和切换光通道确实是个难题。一些设计采用了MEMS微镜(其原理类似于德州仪器的数字光处理技术)，但即便如此，它仍然包含微型运动组件，并伴有速度与密度问题。

当然，研究人员正在寻找其他方法来发掘全光学计算的潜力。最近有一篇论文描述了一种奇妙的方法，是由麦克马斯特大学(加拿大)与哈佛大学(Harvard) John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员合作开发。他们采用一种新型水凝胶材料来实现膨胀与收缩，这两个过程是可逆的。较低的雷射功率会使这种材料的折射率发生变化，而水凝胶材料还充当光管使光能保留在光丝中，这一点与光纤相似，如图3所示。“切换”功能是这样的：当聚焦的雷射照射到水凝胶的某个区域时，该区域会略微收缩，使折射率发生变化；当雷射关闭时，水凝胶恢复到原来的状态。

图3 实验室工作台上的光学装置看起来不像一台“计算机”，事实上技术发展的最终成果很少与其最初形态相似。(图片来源：麦克马斯特大学)

尽管光学计算机确实可以拍出好照片，但它能做的却不仅仅是改变折射率和光通道，如图4所示。当多束光穿过水凝胶材料时，即使光束之间相距很远，或者光场没有重迭，它们也会相互作用并影响彼此的强度。论文合著者兼项目负责人、麦克马斯特大学副教授Kalaichelvi Saravanamuttu说：“尽管光束是分开的，但它们仍然彼此可见并发生改变。”透过改变折射率，可以停止、启动、管理和了解多条光丝之间的相互作用，从而产生可预测的输出—在逻辑功能的切换和开发中，这是重要的第一步。

图4 (A)水凝胶的光异质化机理；(B)包含水凝胶材料的彩色球；(C)紫外线-可见吸收光谱显示溶液中的可逆异构化；(D)上面是实验装置图，用于探测由于光诱发水凝胶局部收缩而引起的雷射自陷，下方是原理图。激光束聚焦到水凝胶的入射面，其穿出面则成像到CCD相机。(图片来源：麦克马斯特大学)

我们能想到半导体以外的计算吗？未来几十年内有没有任何可能我们将看到非电子计算？如果可以，会透过哪种物理过程与现象？

(参考原文：Is Optical Computing in Our Future?，by Bill Schweber)