近日，加州理工学院（Caltech）的研究人员公布了一款速度超过100GHz的光子计算机，有望打开超快运算的新时代。
所谓“光子计算机”，是一种使用光子（光粒子）来进行数据处理的计算机，有别于传统电子计算机使用电子来传输和处理数据。光子计算机具备速度快、功耗低等潜力优势，被视为未来计算机发展的重要方向之一。
传统计算机的时脉是决定其执行指令速度的关键因素，直接影响运算性能，历史上曾随着摩尔定律稳步提升，但在2000年代初期便停滞在5GHz左右。
主要受限于两大障碍：一是“邓纳德缩放比例定律”，该定律认为缩小晶体管尺寸可以维持效率，但较小的晶体管会漏电，导致功耗增加。二是“范纽曼瓶颈”，它限制了内存和处理器之间的数据传输速度，这些限制阻碍了超高速处理技术的发展。
然而，加州理工学院的研究人员通过一项创新设计突破了这些限制，他们开发的光子计算机使用光信号代替传统电力，从而避开了传统计算机的功耗和数据传输瓶颈。
这台计算机的核心是一种基于光学实现的循环神经网络，利用激光脉冲处理数据，其关键组件是一个光学腔体，它同时作为内存和运算层，光信号以激光脉冲的频率进行高速循环和操作。
这种光子架构能够以无与伦比的速度和效率执行信号分类、时间串行预测和图像生成等任务，与传统计算机相比，消除了数据传输和功率密度相关的瓶颈，极大地提升了运算效率。
根据arXiv上一项1月10日预先发布的研研究成果显示，研究人员通过提出并实验演示基于端到端和光子学递归神经网络的计算来打破这项障碍，该网络利用线性和非线性光学操作的超快特性，同时避免电子操作。光子计算机完全在光域中以 100 GHz时脉速率实现线性运算、非线性函数和存储。
换句话说，这台新计算机的核心是递归神经网络的光学实现。该设备完全在光域内运行，利用激光脉冲处理数据。其中一个关键组件是光学腔（optical cavity），它充当内存和运算层。光信号在这里以惊人速度（由激光脉冲频率决定）进行再循环和操纵。
这种架构使光子计算功能够以无与伦比的速度和效率执行信号分类、时间串行预测和图像生成等任务。与传统设计不同，光学方法消除了与数据传输和功率密度相关的瓶颈。
研究人员指出，这种新型计算机有望彻底改变高速通信、超快成像和生成式AI领域。
如果与一些研究人员开发的增强逻辑门结合，其应用前景将更加广阔，此外，自动驾驶汽车也可能依赖这项技术进行瞬间决策，进一步提高自动驾驶电动汽车的可靠性。
预期未来，研究人员的目标是将这项技术集成到使用薄膜锂酸盐等先进材料的紧凑、可扩展的系统中。当然，能否将100 GHz光子学计算机用于消费性领域是另一个层面的话题，起码目前还没有可能。
