光子计算机探析与构想

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1、光子计算机探析与构想任浩辰北京市第二中学摘要：计算机技术随着人类社会的发展突飞猛进。从第一台计算机ENIAC开始，到现在的笔记本电脑和手机平板，芯片的计算能力按照摩尔定律在稳定地以指数形态增加，计算机的应用也越来越渗透到人类社会的方方面面。而相对于电子计算机，光子计算机是一片新兴的领域。本文对于计算机的发展历程进行了回顾，并对于光子计算机与电子计算机的优缺点进行详细的阐述，探宄了光子计算机内部的光学结构与运行原理，并提出了改进光子计算机的设想，最后，对于光子计算机的技术壁垒与发展前景进行了探讨总结。关键词：

2、光子计算机;光子元件;光子计算机原理;光子计算机特点;一、引言1.1计算机发展历程世界上第一台计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，称为ElectronicNumericalintegratorAndComputer。它被用丁•军事领域，是当时最快的计算L具，使科学家们不必再进行繁琐的运算。ENIAC作为第一代计算机一一电子管计算机，有着占地面积大，耗电量高等缺点。为了解决这些问题，人们用晶体管替代电子管，因此第二代计算机一一晶体管计算机出现了。第二代计算机克服了第一代的缺点,同时具有寿命长、发热少等优点。20世

3、纪60年代屮期，半导体技术的兴起，集成电路出现。中小规模集成电路为第三代计算机的核心，使计算机的体积和耗电量进一步减少。之后，第三代进一步发展，成为第四代:大规模和超大规模集成电路计算机。我们能看到的具有人工智能的计算机，如“阿尔法狗”，就是第五代计算机，是目前最先进的计算机。计算机使我们不仅在繁杂的计算方面得到了解脱，而且我们工作、学习和生活的方方而而都得到了改善。1.2现阶段电子计算机发展的制约因素随着科技的发展，人们对计算机的运算速度要求越来越高。但是，电子计算机具有以下特点，使其运算速度遭到限制，很

4、难再满足人们更高的需求。(1)现代计算机大多是冯•诺依曼体系结构，这种体系结构花在数据输入与处理上的吋间很多，使电子计算机运算速度受限。图1冯诺依曼结构示意图下载原图(2)信号脉冲的间隔越小，电子计算机处理数据的速度就越快，为了使信号不会和互重合，我们要把每个脉冲脉宽变窄。脉宽的长度和频率的带宽成负和关。但是电子计算机的频带宽度有尺、r的限制，不能无限宽，所以要提高电子计算机的运算速度是很难的。(3)在超大规模集成电路屮，各部件同步时钟到各元件的距离差随元件数量的增多而增大，这样会造成到达的信号与未到达的信

5、号的等待时间加长，如果联接距离较大，等待时间就会过长，从而导致运算效率的降低。(4)电子计算机的元件存在电阻和电容。根据电磁场理论，电阻和电容会阻碍电路中运动的电子，使其在导线中的传播速度减弱。在信息信号的载波频率较高吋,就会导致电信号跟不上信息信号的变化，使信号错误地传播，导致运算出错。因为电子计算机有上述缺点，所以摩尔定律即将失效，摩尔定律是一种推测，微处理器的晶体管数量在将每18个至2年翻一番，由它们制作的的计算机的性能也会随之翻倍。里然其为戈登•摩尔(GordonMoore)1965年提出来的假设，

6、但是半导体的发展一直完美地验证着该定律。不过近年来业界一直预测该定律即将失效。为了突破电子计算机发展的瓶颈，人类将研宄方向转向了光子计算机。二、光子计算机概述2.1概念相对于电子计算机利用电信号进行数据处理，光子计算机是一种利用光信号进行数据处理的计算机。光子计算机主要由集成光路组成。2.2发展历程世界上第一台光学计算机是由美国贝尔实验室成功研制出的，尽管它在理论上还不是真正的光学计算机。真正的光子计算机需要一种基础元件，这种元件可以用一条光束来控制另一条光束。虽然有可能研制出这一基础元件，但是所需的外界条

7、件较为苛刻。2.3特点(1)光在波导中的传播速度是电子在导线中的传播速度的千倍数量级，因此光子计算机有着比电子计算机更快的传输速度和处理速度；(2)光子之间不会互相干扰，而电子之间会通过电磁场相互干扰。因此光子计算机运算不易出错；(3)信息储存容量大；(4)耗能小，散热低；(5)摆脱了二进制的朿缚，可以进行三进制和四进制更复杂的运算。三、光子计算机中的结构与原理探析3.1主要元器件(1)光子晶体光子晶体作为一种光子带隙材料，是一种具有周期性电介质结构的人造材料。当光朿在光子带隙材料中传播时，能量在光子带隙内

8、的光子不能通过光子晶体，而光子的能量与光的波长有关。因此利用光子晶体可以达到选择光波波长的目的。(2)表面等离子体表面等离子体可以使特定频率从宏观尺度减小光的传播速度，形成慢波效应，可以达到减小器件尺寸的目的。(3)波导波导可将不同单元连接起来，实现光互连。光互连具有速度快等优势，而且各光束能够相互交叉通过而不被干扰。随着精密仪器与光学技术的发展，科学家正在试着模仿集成电路，将光存储器、光开关、光源集成到在一块芯