光子计算机运算速度指数级提升 2022年后未来发展空间极大

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光子计算机运算速度指数级提升 2022年后未来发展空间极大

激光计算机和光子计算机有什么区别?

光子计算机的简要介绍

未来有哪些科学技术可能会改变世界？

一、光子计算机运算速度指数级提升 2022年后未来发展空间极大

　　光子计算机，是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。与传统电子计算机相比，光子计算机以光子代替电子，以光运算代替电运算，由于光的特殊性质，光子计算机具有运算速度高、信息存储容量大、并行处理能力强、信息失真率极小、容错性优、能耗极低、发热量极低、对环境条件要求低等优点，具有巨大发展潜力。

　　电子计算机以电信号来处理与存储信息，在摩尔定律下，电子计算机的功能开发已经接近极致，运算速度难以明显提高，而大数据、云计算、人工智能、物联网等技术迅速发展，对计算机的运算能力与存储能力要求不断提高，仅仅依靠扩展服务器带来的边际效应越来越低，因此开发新型计算机需求迫切。光子计算机利用光信号、采用光器件来运算、存储、传输信息，可同时处理复杂、计算量大的任务，其计算速度得到指数级提升，因此发展受到关注。

　　根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025年光子计算机行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，光子计算机的核心部件是集成光路，是由激光器、反射镜、透镜、滤波器等光学元件组成。在20世纪90年代初期，美国贝尔实验室研制出全球首台光子计算机，但性能未达到理论要求，仅能用于实验领域。由于光子计算机运算速度极快，信息存储容量极大，在信息时代背景下，包括欧盟、中国等在内的多个国家和地区相继进入此领域布局，投入大量资金进行研发。 　

　2020年2月，我国上海交通大学集成量子信息技术研究中心团队，研制出一种结合集成芯片、光子概念和非冯诺依曼计算架构的光子计算机，拥有超越经典电子计算机的潜力，且物理尺度可扩展。 　　

光子计算机与量子计算机都是未来计算机的发展方向，量子计算机是遵循量子力学规律的新型计算机，其信息处理量越多，运算速度越快，精准性越高，在超算领域拥有巨大应用潜力。利用冷原子、超导、光子等技术可实现量子计算，光量子计算机即采用光子作为量子比特。 　　

2017年5月，中国科学技术大学团队与浙江大学合作，在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。 　　

新思界行业分析人士表示，与电子计算机相比，光子计算机在运算速度、运算精准度、存储容量、能耗等方面优势明显，与量子计算机相比，从技术方面来看，光子计算机更容易实现，且利用光子技术还可以实现光量子计算机，因此光子计算机未来拥有广阔市场空间，尤其是在普通计算领域发展空间极大，而量子计算机主要应用于超算领域，二者可以互补使用。

一、激光计算机和光子计算机有什么区别?

一、激光计算机。
使用光传递信息代替电传递从而达到比普通计算机快1000倍传输速度的激光计算机。
电子计算机自诞生后，发展速度是非常快的。由于结构日趋复杂化和高度集成化，于是出现了一系列难以克服的问题。
第一个问题是，尽管在电子元器件中传输的是很弱的电流，但随着元器件的高度密集，不仅工作时产生的热量会急剧增加，而且相邻的元件也会彼此干扰。
第二个问题是，电子计算机的元器件中，电子的运动速度约为每秒60千米。即便是在砷化镓器件中，电子的运动速度也不会超过每秒500千米。也就是说，电子在导体中最快的运动速度远不及光子流运动速度，这就大大限制了运算速度的提高。
第三个问题是，由于计算机的结构和功能日趋复杂化，组成运算电路的电子元件也日益增多。为了在有限的面积上容纳下更多的元件，人们早就将许许多多元件密集起来，做成一个个小方块。这类方块就叫集成块，或叫集成电路。每个集成块是通过身上的插脚，固定在位置上，并与整个电路相连的。超大规模集成块的插脚数目是很多的，而且越来越多，已有千余只插脚（如英特尔公司的X79和X99芯片组，就采用了2011根引脚）。若干年后，也许会出现有数千个插脚的集成块，它们会占据很大的地盘，以致腾不出足够的宅基来安排它们。
随着巨型计算机的出现，这些问题会日益严重。而要解决这些问题，只有将综合功能性的计算机装置逐一分解成许多功能单一的装置，然后再用专门的联接装置将它们一个个地连接起来，但这样一来，计算装置就会变得更加复杂化。
如果用激光计算机，就不存在这些棘手的问题了。在光脑中，输送信息的是光子，运动速度等于光速度（每秒30万千米），要比电子运动速度快得多。而且，光子携带和传递信息的能力也远远强于电子。
美国、日本的不少公司都在不惜巨资研制激光计算机。预计在2025年，将开发出超级光计算机，运算速度至少比现有的电子计算机快1000倍。
以激光为基础的计算机能广泛地用来执行一些新任务，例如预测天气、气候等一些复杂而多变的过程。再如，还可以应用在电话的传输上。因为电话信号正在逐步由光导纤维中的激光束来传送，如果用光计算机来处理这些信号，就不必再像现在这样，需要在电话局内将携带声音的光脉冲转变成电脉冲，经电子计算机处理后再转换成光脉冲发送出去。即可以省掉光—电—光的转换过程，直接将携带声音信号的光脉冲加以处理后发送出去，这样，便大大提高了传送效率。
由于激光计算机善于进行大量的运算，所以能高效地直接处理视觉形式、声波形式，以及其他任何自然形式的信息。此外，它还是识别和合成语言、图画和手势的理想工具。这样，光计算机就能以最自然的形式进行人机对话和人机交流。
二、光子计算机。
光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。光子计算机还具有与人脑相似的容错性，系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗和散发热量极低，对环境条件的要求比电子计算机低得多。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。
现有的计算机是由电流来传递和处理信息。电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快，但是，从发展高速率计算机来说，采用电流做输运信息载体还不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制数字化运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在基础上呈指数上升。
三、激光计算机和光子计算机的区别。
激光计算机和光子计算机的区别就是它们的计算方式不一样。
激光计算机是用激光进行计算的。激光是一种最亮的光，也是一种最纯的光，其特点是方向性强，亮度高，颜色纯。
普通光源（如自然光、人造光等）是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的凹面镜，让光源放在凹面镜的焦点上，根据光的反射中光路可逆的原理，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，几乎是平行光。激光计算机也是根据这个原理，用激光进行计算的。
光子计算机是用光子进行计算的。光量子，简称光子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子静止质量为零。光子以光速运动，并具有速度、能量、动量、质量。当光的质量大于临界质量时，很容易被电子所吸收或散射；当光的质量小于临界质量时，不太容易被电子所吸收，即很容易被电子很快发射掉；而处于临界质量附近的光子较容易被电子吸收，并向不同方向发射，由此而形成靑蓝色的天空。光子计算机是通过光子得出相应的数据，从而得出计算结果的。

二、光子计算机的简要介绍

现有的计算机是由电流来传递和处理信息。电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快，但是，从发展高速率计算机来说，采用电流做输运信息载体还不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在基础上呈指数上升。
1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。
由于光子比电子速度快，光子计算机的运行速度可高达一万亿次。它的存贮量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。
许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

三、未来有哪些科学技术可能会改变世界？

自人类文明诞生以来，从没有任何一个时代的人像今人这样期盼未来。

这是因为在人类几千年文明历程中，人们并不能够预见未来会比现在更好。然而现在不同了，由于科学的出现，人类文明已经呈现指数型发展的趋势，几乎可以预见，未来一定会更好，然而遗憾的是大多数人可能无缘见到未来，所以我们只能去畅想未来会是什么样？

光子计算机、生物计算机以及量子计算机可能成为未来的主角。

简单来讲，现在我们所使用的计算机都是通过电信号来进行运算和存储的，而光子计算机就是用光子来代替计算机中的电子，由于光子的速度远超电子，所以光子计算机的运算速度是电子计算机所望尘莫及的。

生物计算机可以说是一种模拟人脑的计算机，通过分子生物学的研究来模拟人脑神经元，这种计算机一旦实现便能够和人脑完美结合，为未来的人机融合带来最大的便捷。而量子计算机则是利用量子规律来实现数学和逻辑运算的计算机，这些不同架构的计算机目前都处于研究之中，很可能会在未来变为现实。

计算能力的提升还只是人类科学文明发展的辅助领域，人类文明要想取得质的飞跃还必须要依赖于基础科学的进步。

所谓基础科学的进步就是对物质本质的认知、对宇宙中基本力的掌握。如果基础科学得不到提升，无论技术如何进步，也无法实现质的飞跃。

举例而言，我们可以发明马车，可以发明能够翻山越岭的人力车，甚至可以利用机械原理发明出人力驱动的高速跑车，但只要基础科学没有进步，就永远不可能发明出宇宙飞船。现在，人类要想走出太阳系，自由驰骋于广袤的宇宙空间，同样也要依赖于基础科学的进步。

其实，在所有科学领域之中，大多数人最关心的还是生物技术领域。

生物技术一旦实现突破，那么很多现在的疑难杂症都能够得到治愈，人类甚至于能够借助基因技术来大大延长人类的寿命，事实上现在人类就可以利用DNA技术对一些动植物进行重构，创造出新的物种。从某种角度上来讲，生物技术的发展将能够使人类获得“上帝”的能力。我们无法预计生物技术未来会发展到何种水平，但显然它会让未来变得更加美好。