加州理工學院科學家開發新一代光子電腦，速度超過 100GHz

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，有望開啟超快運算的新時代。

所謂「光子電腦」，是一種使用光子（光粒子）來進行資訊處理的電腦，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，直接影響運算效能，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」，它限制了記憶體和處理器之間的資料傳輸速度，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透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訊號代替傳統電力，從而避開了傳統電腦的功耗和資料傳輸瓶頸。

這台電腦的核心是一種基於光學實現的循環神經網路，利用雷射脈衝處理資料，其關鍵組件是一個光學腔體，它同時作為記憶體和運算層，光訊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訊號分類、時間序列預測和圖像生成等任務，與傳統電腦相比，消除了資料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 日預先發表的研研究成果顯示，研究人員透過提出並實驗演示基於端到端和光子學遞迴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、非線性函數和儲存。

換句話說，這台新電腦的核心是遞迴神經網路的光學實現。該設備完全在光域內運行，利用雷射脈衝處理資料。其中一個關鍵組件是光學腔（optical cavity），它充當記憶體和運算層。光訊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。

這種架構使光子電腦能夠以無與倫比的速度和效率執行訊號分類、時間序列預測和圖像生成等任務。與傳統設計不同，光學方法消除了與資料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訊、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閘結合，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。

展望未來，研究人員的目標是將這項技術整合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。