近日，加州理工學院（Caltech）的研究人員公布了一款速度超過100GHz的光子電腦，有望打開超快運算的新時代。
所謂「光子電腦」，是一種使用光子（光粒子）來進行數據處理的電腦，有別於傳統電子電腦使用電子來傳輸和處理數據。光子電腦具備速度快、功耗低等潛力優勢，被視為未來電腦發展的重要方向之一。
傳統電腦的時脈是決定其執行指令速度的關鍵因素，直接影響運算性能，歷史上曾隨著摩爾定律穩步提升，但在2000年代初期便停滯在5GHz左右。
主要受限於兩大障礙：一是「鄧納德縮放比例定律」，該定律認為縮小電晶體尺寸可以維持效率，但較小的電晶體會漏電，導致功耗增加。二是「范紐曼瓶頸」，它限制了內存和處理器之間的數據傳輸速度，這些限制阻礙了超高速處理技術的發展。
然而，加州理工學院的研究人員通過一項創新設計突破了這些限制，他們開發的光子電腦使用光信號代替傳統電力，從而避開了傳統電腦的功耗和數據傳輸瓶頸。
這台電腦的核心是一種基於光學實現的循環神經網路，利用雷射脈衝處理數據，其關鍵組件是一個光學腔體，它同時作為內存和運算層，光信號以雷射脈衝的頻率進行高速循環和操作。
這種光子架構能夠以無與倫比的速度和效率執行信號分類、時間串行預測和圖像生成等任務，與傳統電腦相比，消除了數據傳輸和功率密度相關的瓶頸，極大地提升了運算效率。
根據arXiv上一項1月10日預先發布的研研究成果顯示，研究人員通過提出並實驗演示基於端到端和光子學遞歸神經網路的計算來打破這項障礙，該網路利用線性和非線性光學操作的超快特性，同時避免電子操作。光子電腦完全在光域中以 100 GHz時脈速率實現線性運算、非線性函數和存儲。
換句話說，這台新電腦的核心是遞歸神經網路的光學實現。該設備完全在光域內運行，利用雷射脈衝處理數據。其中一個關鍵組件是光學腔（optical cavity），它充當內存和運算層。光信號在這裡以驚人速度（由雷射脈衝頻率決定）進行再循環和操縱。
這種架構使光子計算功能夠以無與倫比的速度和效率執行信號分類、時間串行預測和圖像生成等任務。與傳統設計不同，光學方法消除了與數據傳輸和功率密度相關的瓶頸。
研究人員指出，這種新型電腦有望徹底改變高速通信、超快成像和生成式AI領域。
如果與一些研究人員開發的增強邏輯門結合，其應用前景將更加廣闊，此外，自動駕駛汽車也可能依賴這項技術進行瞬間決策，進一步提高自動駕駛電動汽車的可靠性。
預期未來，研究人員的目標是將這項技術集成到使用薄膜鋰酸鹽等先進材料的緊湊、可擴展的系統中。當然，能否將100 GHz光子學電腦用於消費性領域是另一個層面的話題，起碼目前還沒有可能。
