神通激光

第二節 電子讓賢給光子

　　現代科學技術突飛猛進，電子計算機的運算速度和存儲容量日益顯示出不相適應。我們可以肯定地說：電子計算機一定要被光子計算機所代替。利用激光和集成光學的新科學技術，研製成光子計算機，其信息存儲量可達100億億位，比電子計算機容量大10億倍；其運算速度可達1000億次，比電子計算機快1000倍，甚至10000倍！

　　自從第一台電子計算機誕生以來，電子計算機已經發展到第五代，卻始終沒有脫離電子學的範疇，依然依賴於電信號的傳輸、運算和處理。利用電子進行數字運算和信息傳輸，需要線路網絡，在元件越來越小的發展趨勢下，電路板上能夠容納的導線數目有其極限，這樣，電子線路就束縛住現代電子計算機的手腳。而且，由於處理器的大小受到限製，電子計算機的運算速度也隻能快到一定程度。在通常的傳統處理器裏，電子是在線路網絡中穿梭於不同的微處理機與元件之間，有時必須相互等待，好像汽車必須按秩序地一個一個地通過路口一樣，不能隨便加速搶道，因而信息傳輸速度受到一定限製，使運算速度也無法突破一定極限。

　　激光的出現，使人們自然而然地想到要發展光子計算機。多少年來，科學家們夢寐以求地想用光子代替電子設備中的電子，如果這一夙願得到實現，便可能研製出比現代任何計算機的功率和靈敏度都高、存儲量和運算速度都大得多的新的一代計算機。

　　從物理學中可知，光子是光的最小能量單位，在一定程度上和電子一樣。今天應用的全部電氣轉換技術，都是用電子工作的，並統一在“電子學”這一總的概念之下。事實上，光子同電子比較，具有許多優點。光子以光速運動，很少受磁場或“兄弟光子”的幹擾而造成偏移或脫離軌道。而且，如上所述，如今已明顯地看出電子學在計算機製造方麵存在著功能極限。為了賦予計算機以更多的“人工智能”，我們必須在技術上付出更高的代價，毫不遲疑地用光子去取代電子的地位。

　　其實，光子技術早已來到我們的生活之中，激光唱盤，超級商場裏的光學掃描裝置，都是用光子代替電子傳送信息的實例。此外，光纖通信日益廣泛應用，取代傳統的電纜通信。毫無疑問，由光子代替電子工作，研製光子計算機是今後計算機發展的正確方向。

　　近20多年來，美國和日本的有關研究實驗機構之間，不加聲張地進行著一場技術比賽，競相研製光子計算機。

　　1982年初，美國國際商品機器公司宣布製造了第一台光子計算機，不過這個“嬰兒”隻能在“保溫箱”裏生活，在接近絕對零度的溫度下工作。可是，光子是在常溫下工作的，要想製造出能夠實用的光子計算機必須研製出光子工作的各種光子元件。因此，美國貝爾實驗室集中力量從事“光學回路”的研製工作，這種回路在一定程度上跟今天的電子集成電路相同，也可以做得那麽小。光學回路是利用高純度晶體層製造的，通過晶體層的形狀來調節和控製光的響應和通路。貝爾實驗室研製光計算機還裝有光檢測器、光晶體管、光波導等元件，這些元件是研製計算機所必需的元件。

　　與美國同時，日本仙台東北大學電氣通信研究所研製成功一種“雙穩態激光二極管”，使數字技術的邏輯開關工作狀態和開關準確度取得較大的可靠性。在這方麵，日本研製光計算機技術，似乎比美國略勝一籌。而且，日本慶應大學試製成功“激光纖維屏極”，在光學處理圖像方麵也嶄露頭角。高級機器人的眼睛，通常是用電視攝像機拍攝對象的濃淡圖像，再用計算機處理圖像信息，因而需要時間太長。慶應大學“激光纖維屏極”能以等於通用計算機100萬倍的速度攝取對象的圖像。這樣，就為解決各種有關圖像信息係統的計算難題開辟一條途徑。

　　1990年1月29日，美國電話電報公司貝爾實驗室以美籍華裔科學家黃庭鈺為首的科學家小組，研製成功了世界上第一台數字光學信息處理機。這是許多科學家在5年時間裏共同努力的結果，它為製成光子計算機邁出了重要一步。貝爾實驗室把光學處理機與晶體管的發明相提並論，因為晶體管曾使電子技術進入一個嶄新階段。美國霍爾代爾研究中心信息係統研究室主任寧克認為，數字光學處理機的研製成功是人類技術史上的一件大事，可以同萊特兄弟製成世界上第一架飛機相比。

　　貝爾實驗室的數字光學處理機像餐桌麵那麽大，厚度不到30厘米。它與傳統的電子計算機的電子處理機不同，沒有電路板和集成電路片，而是由激光器、光學透鏡和棱鏡組成。這種沒有導線的數字光學處理機，利用激光在處理機內傳輸信息。而且，光學處理機的運算程序是安排在它的硬件裏的，不是像通常的計算機那樣包含在軟件裏。這台數字光學處理機的核心，一種稱為“對稱自光電效應”的光晶體管，開頭速度為每秒10億次。我們知道，數字電子處理機采用二進製編碼，即利用電平的高低來代表“1”和“0”。光學編碼與此類似，是以光的有（亮）無（暗）來代表“1”和“0”的。用激光在具有光導和光電效應的光折變物質上存儲或讀出圖形編碼，利用透鏡棱鏡和解碼掩模等進行光學處理和運算，就構成了數字光學處理機。這種光學處理機是光計算機的核心部分，它可能處理的信息量比電子處理機快1000倍。貝爾實驗室演示的光學處理機的運算速度是每秒100萬次，科學家們預計，不久將可能製成運算速度達到每秒幾億次的光子計算機。

　　不過，光子計算機的“未成年時代”可能還會用到一些電子元件，是一種混合式的光電子計算機。這種光電子技術進一步成熟後，首先運用的範疇可能是並行運算處理機，就是把一個運算問題劃分為許多個次級運算子題，並行運算處理機可以同時處理這些次級子題，大大減少運算的總時間。美國的英特爾公司正在加緊研製並行計算機。既然有了良好的開端，全光數字計算機也一定會研製成功。

　　貝爾實驗室的布賴恩·英納漢說，光子計算機可能導致開發出以光為基礎的超級計算機，其運算速度比現有的計算機快1000—10000倍。

　　上麵提到，在光子計算機中需要有各種光學元件，激光是在這些元件構成的“光學回路”中傳輸的。在下麵一節裏，我們將介紹光子計算機所必需的，也是光纖通信所必需的集成光學元器件和它們所構成的集成光路。