光子運算：以人工生命解鎖運算力量
2023 年 6 月 7 日編者的話：這篇文章已根據 Science X 的編輯流程和政策進行審查。編者們在確保內容可靠性的同時強調以下特點：經過事實查核、同行審查的出版物、可信賴的來源、校對。
摘要
隨著現代化科技的發展，越來越多人希望開發出更快、更小、功能更強大的電腦。傳統的矽電晶體技術可做的事情逐步有限，例如因裝置製造困難的部分，有些電晶體只有幾十個原子那麼細。因此研究人員開始開發不依賴於矽電晶體技術的電腦技術，例如量子運算或是光子運算技術。加州理工學院的 Alireza Marandi 助理教授近期發表新研究，使用光學硬體實現一種由「細胞自動機」所組成的電腦模型。細胞自動機是一種型別的電腦模型，其中有一個格狀的「世界」和許多「細胞」從中誕生、成長，演化成為令人驚嘆的多細胞生物機器人。用細胞自動機來進行運算任務，是一種新穎且理想的光子技術應用。
細胞自動機
細胞自動機是一種計算模型，但這個術語可能不利於理解。最好的方法是把它們看作是模擬的細胞，這些細胞按照一個非常基本的一套規則（每種自動機擁有自己的一組規則）執行。透過這些基本規則，可以呈現極為複雜的行為特徵。 John Conway 發展的最著名的細胞自動機之一被稱為 Life 遊戲或 Conway 的 Life 遊戲，在一個可以存在活細胞或死細胞的格狀世界中使用四條規則：
- 任何具有少於兩個鄰居的生存細胞會死亡，就好像是因為資源不足而死去。
- 任何具有超過三個鄰居的生存細胞會死亡，就好像是因為人口過多而死去。
- 任何具有兩個或三個鄰居的生存細胞會繼續生存。
- 任何具有三個鄰居的死亡細胞會「復活」，就好像是由於繁殖而出生的。
簡單的，或者說「基本」細胞自動機，對於數學和電腦科學理論的研究人員具有吸引力，但它們也可以有實際的應用。一些「基本」細胞自動機可用於隨機數生成、物理模擬和加密等領域的研究。它們的計算能力與傳統的計算機架構相當強大，至少在原則上是如此。往更高階的細胞自動機，將擁有更複雜的規則（尋找影像中的物件等）並可以進行更為複雜的計算任務。在遊戲中，Life 遊戲重複不斷地將這些規則應用到細胞生存所在的世界，每次都按固定間隔時間進行，這個時間被認為是一個世代。在幾個世代之內，這些簡單的規則就使細胞有了組織成萬千的形狀，例如 loaf、toad、beehive 和重型太空船等。
光子運算的理想工具
Marandi 表示細胞自動機非常適合用於光子運算的兩個原因：因為資訊處理是在極為本地化的層面上進行的（請記住，在細胞自動機中，細胞僅與其周圍的細胞互動），這消除了移動和儲存光訊息所需的許多硬體裝置，例如各種閘、開關和其他裝置。此外光子運算的高頻寬性質意味著細胞自動機可以執行得非常快。相對於傳統的計算機，細胞自動機可能是使用計算機語言設計的；這種計算機語言建立在更低階別的機器語言之上，而機器語言又建立在數位化資訊的二進位制 0 和 1 之上。與傳統為主的運算方式不同，Marandi 所研發的光子運算裝置中，細胞自動機的細胞僅是超短脈衝的光，在裝置硬體上執行非常快，可以達到最快速度的數碼運算機的三個數量級。在硬體網格中，這些光脈衝相互作用，並在進行各種運算時不會被傳統計算機的多重級別掣後腿。實質上，傳統的計算機執行的是細胞自動機的數位模擬，而 Marandi 的裝置則執行實際的細胞自動機。Marandi 指出：「光子運算的超快速執行能力和硬體上實現光子運算細胞自動機的可能性，能夠引領下一代電腦執行比數位電子計算機更有效率的重要任務。」
結論
未來，隨著更多研究人員的加入，光子運算和細胞自動機技術可以實現用小空間及迅速的方式執行超強大算法的夢想。特別是在需要大量資料運算且需要大量且快速的效能的應用中，這種光子運算加上人工生命模式可能是理想非矽電晶體解決方案。
