你可能不知道,一種比現在的超級計算機強上百倍之餘,這就是光子計算機。這個研發方向起源於20世紀60年代雷射技術,科學家們將提升計算機的運算速度和容量寄託於光子計算機,根據多年的研究光用於儲存數據的表現確實不俗,還有基宇光子技術的彩色雷射複印和全息圖像。日本佳能公司研發的彩色雷射複印機在德國漢諾瓦博覽會上大放異彩,為當場的遊客複印美元以及身份證,其逼真程度讓在場所有人吃驚。
而全息圖像技術是利用小功率光器來產生立體圖像,這一項技術目前在工程設計上、醫用、保密等領域上開始展露頭角,美國麻省理工學院在1986年通過計算機把數位化的汽車資料變換成960幅汽車的各種色視圖,再把這些色視圖製成全息膠片,用雷射從後面一照射,一輛逼真的汽車模型便飄浮在面前的空間,設計師可以從不同的角度予以研究改進。現在許多信用卡公司、銀行正在他們的商品上使用全息圖像,以防止偽造品。
當然這項技術更為科幻的表現可以參考電影鋼鐵俠,憑空出現影像還能根據需求變動。這些產品統統都是光子技術的革新。計算機的強大與否主要看兩個因素,第一就是計算機部件的運行速度,其二就是它們排列緊密程度。目前的電子計算機利用電子0到1的狀態變化,通過這樣的二進位運算並處理信息,電子的速度在理論上的是可以接近光速的,但我們的手機電腦裡,電子在矽片上運行的速度不到光速的百分之一,而且這是電晶體逐漸接近物理極限的今天。
另外在超大型集成電路中一些片狀器件的線腳已達300多隻,排列密度受到嚴重的限制,這種水平還是工程師扯光頭髮才設計出來的。但這樣的限制在光面前就不是問題了,因為光可以依靠一小束低功率雷射進入由反射鏡和透鏡組成的光迴路來進行「思維」的,同樣具有存儲、運算和控制等功能。且能夠保障互不幹擾,如此一來工程師們可以在極小的空間內設計出更多的信息通道,這一想法並不僅僅存在於理論當中,例如貝爾實驗室的光學轉換器就可以做得很小,以致在不到2毫米直徑的器件中,可裝入2000多個通道。光子計算機還有一個優點就是信息量大,一束光可以同時傳送數以千計的通道的信息。
目前光子計算機的最新進展其實量子計算機,2019年年底谷歌就是實現了「量子霸權」僅僅使用了53位的量子晶片解決了一個經典超級計算機需要10000萬才能解開的數學問題。谷歌的量子霸權絕不亞於當年橫掃圍棋界的阿爾法狗的場景。國內同樣也有喜人的消息傳出,本源量子在2019年9月10日發布全球第一個量子計算機應用軟體,它是一套量子化學應用系統,主要的功能是模擬計算機化學分子在不同鍵長下對應的能量,這為化學領域的應用提供基礎,協助科研人員探索量子計算應用、推動生物科技研發進程。
此外中國還將計劃於2020年搭建中國第一臺量子計算機原型機,而且這臺計算機具有全自主智慧財產權,原型機將搭載6比特超導晶片,技術指標達到IBM在2016年時的工作水準;同時,原型機將搭載另一款2比特的半導體晶片,這相當於英特爾在2018年的水準。這一領域目前中美差距大約有3到4年的差距,但這樣比現在計算機好很多,不存在什麼卡住咽喉的說法。
量子計算機想要達到商用水平有人推測需要經歷三個階段,第一個階段就是研發原型機,這個階段基本上已經結束。第二階段重點在於尋找專用級的晶片,用它來解決特定行業問題。第三階段就是發展出真正通用量子計算機,外國專業人士預測2030年這個市場的估值大約是20億美金,2050年極有可能市場估值暴增百倍。按照現在的量子計算機來看,它不會代替經典計算機,這是因為量子計算機基宇量子力學特性,可以理解為量子計算機實際上是一個全新的計算機模型。因此量子計算機的研發和使用方面任然需要經典計算機輔助和傳遞信息。量子計算機其實是和經典計算機一個結合的產物。
量子計算機主要是通過量子疊加原來來實現的,這也意味著量子計算機可以同時進行0和1二進位編碼的雙路處理。通俗一點就是量子計算機在用兩支筆寫字,經典計算機是單筆寫字。之所以說量子計算機是光子計算機的最新進展是因為量子這個名字包含了多種粒子,其中就包括光子、電子、中子、質子等等。早在1990年就被美國貝爾實驗室就宣布世界上第一臺光子計算機,它採用砷化鎵光學開關,運算速度達每秒10億次。但嚴格意義上來說並不是光子計算機,真正的光子計算機需要開發出可以用一條光束來控制另一條光束變化的光學電晶體這一基礎元件。
雖然科研人員可以實現這樣的裝置,但所需要的條件過去苛刻,而且目前光機計算機遇到的第一個難題就是光源問題,現有的光源要麼效率很低要麼就是體積超大,如果結構複雜起來根本就無法集成。
相比較經典計算機,光子計算機的特點就是速度快,信息幹擾少,可蘊含大量信息等優勢,如果和量子計算機相比較的話光子計算機是最有可能普及民用的。當然這個前提是解決集成以及成本問題。