你想知道光速运转的电脑什么样吗？你可知未来的数据中心将变成芯片那般大小？什么技术将引领未来军事变革和社会发展？请看——
光子芯片：信息战之“最强大脑”
■陆天歌 张乃千 唐嘉
光子芯片可用于电子信息对抗、武器装备研究、大数据处理和生命科学探索等领域，是未来实现神机妙算、引领时代变革的核心技术之一。
在与韩国棋手李世石的围棋大战中，虽然智能机器人最终取得胜利，但也由于棋局复杂、数值计算量大而频现漏洞，充分暴露了电子芯片在数据处理能力和高速稳定运行方面的短板。随着大数据时代和信息化战争的到来，各种作战和保障数据相互交织，对实时信息处理提出了更高要求。
美国科罗拉多大学科研人员日前研制成功世界上第一款依靠“光子”传输资料的微处理器芯片。光计算主要利用光的物理性质进行大容量信息处理，一旦投入运行，将彻底改变智能手机、超级计算机和大型运算中心的计算与网络构架，在军事和民用领域具有广泛的应用前景。目前，美国海军和美国导弹防御局先后投入巨资开展光子芯片的研制。作为未来信息战争的“最强大脑”，光子芯片在电子信息对抗、军事多维物联网、战场数据处理、战场气象预报及作战数字通信系统等领域有广泛发展前景，是新军事变革的重要信息化装备。
快速灵敏神机妙算
光粒子是一定物理层面上速度最快的粒子，光波具有不同的波长、频率、偏振态和相位信息，可以用来代表不同数据。利用光子芯片构建光计算系统，运算速度快、信息失真小、消耗能量低。理论上，光学计算机可以在启动的一瞬间完成所有信息处理，可对高复杂度、大数据量计算实时并行处理。
光子芯片具有明显的速度优势。以光速进行的高效计算，只要在数字信号处理器上附加一个光学加速器，就可以制成光学数字信息处理器，可使传统电子芯片的运算速度得到巨大提升。由于传输所造成的信息畸变和失真极小，光器件的开关速度比电子器件快得多，因此光计算机的运算速度在理论上可达每秒千亿次以上，其信息处理速度比电子计算机要快数百万倍。Intel公司研制的光信号数据传输样机，传输的速率高达10GB/s，是普通USB线速率的20倍。
美国科罗拉多大学研制的光子芯片，依靠“光子——电子”系统协同运转，单个芯片上整合了超过7000万个电晶体以及850个光子元件，具有逻辑处理电路、内存等功能，比现有的电子芯片运行速度快50倍。据科学估算，未来单个光子芯片将能同时执行100万个并行任务，大量光子芯片并行运算，数据处理能力可达到目前最庞大的电子芯片计算机的1000倍。
应用广泛潜力无限
经过近半个世纪的遵从摩尔定律的加速发展，传统电子芯片逐渐遇到性能瓶颈。电子处理器依靠逻辑电路传输数据，随着数据传输量与日俱增、传输速度需求越来越高，电子芯片渐渐不堪重负。此外，由于光路在空中交叉传输又互不干扰，光计算具有天然的并行性，可在一个时间段内同时进行多路计算，不仅速度快而且结果精准。光子芯片的自身能耗非常低，利用光子输入/输出端口传输1Tb数据仅消耗电能1.3瓦。实验证明，同样的电量下光子芯片的数据传输和计算能力更强。
光学器件微型化脚步正悄然而至。2003年以色列lenslet公司公开展示了全球首枚嵌入光核心的商用光学数字处理器。该光处理器利用光栅卷积原理，实现了每秒8万亿次的数值运算。美国的IBM公司宣称已研制出微米级别的光开关，可利用比发丝还细的碳管实现光束数据传输，Intel公司也加大了硅光集成芯片的研发力度。
采用光子芯片不仅可以提升计算机的运算速度，更可以轻松实现对人脑思维的模拟，人工智能水平将得到巨大提升。由布里斯托大学和日本电报电话公司共同研制的量子光学芯片，将光子当成可自由组合的“积木”一样编码排列，能快速切换数据状态，可使机器设备变得更“聪慧”。
事实上，光子芯片还有许多潜力待挖掘。在信息处理中人们通常只利用了光路传输这一基本光学特性，而光信号的折射、干涉、衍射、偏振等很多特性还远未被有效利用。譬如，美国一家公司推出的全广播光交换机，利用了光的散射和空间不相干特性，有效解决了令电子芯片“头疼”的多维数据交换难题。
信息战场大显神通
随着光电子技术的飞速发展，未来光子芯片将在军事安全、多媒体和智能终端、超级计算等领域大有用武之地。利用光子芯片搭建量子计算机，能灵活模拟现有数字计算机的任意工作状态，将广泛应用于武器装备设计制造、情报获取和分析处理、战争设计与战场模拟、卫星导航定位等诸多领域。美国航空局目前正在研制新一代超级计算机系统，光子芯片正是其中的“智慧大脑”。
光子芯片在战场上也将展示“大智慧”。Enlight光子芯片就是为军事应用量身打造的，它可在短时间内审查大量数据，迅速识别出非常隐秘的潜在威胁。依靠光纤通信和光子连接技术运行的光交换设备、光探测器和调制器，将进一步优化现有电子装备系统的性能。未来光子元件将与电子元件同时效力，各类武器装备将随着光波导和光子技术的应用得到性能上的巨大提升。由美国海军空战中心和导弹防御局授权美国公司研究的先进光学处理器，主要用来加强大型军用雷达的芯片计算和处理能力，将在雷达探测领域得到重要应用。
光学计算是影响未来信息技术发展的战略性工程。科学家正在将微电子技术与光子技术结合，研制新型光电集成系统，可广泛应用于大型多媒体广播系统、机场安全检查系统和医学数据库系统，在移动通信领域可消除同一基站内用户间的相互干扰，在生物科技方面可大大缩短运算必须的基因数据配对时间。未来光子芯片还将用于军事通信加密、军用新材料和非传统武器的开发，对军事变革和社会发展产生强有力助推。
