新型計算方式：由光線設計而成！

背景

傳統的電子計算機是通過電流來傳遞和處理信息，用晶體管操控電信號，進行二進製信息“0”和“1”的比特運算。

近年來，由於摩爾定律面臨嚴峻挑戰，傳統計算機芯片的性能提升正遭遇瓶頸。因此，科學家們開始探索新的計算方式，例如量子計算機、細胞計算機等。

光學計算技術，即採用光學方法來實現運算處理和數據傳輸的技術，也是一種非常重要的新興計算方式。它不僅可以降低能耗，還可以提升運算速度。

創新

近日，加拿大麥克馬斯特大學的研究人員，讓圖案化的光影彩帶穿過聚合物立方體的不同面，並讀取顯現的綜合結果，開發出一種簡單且高度新穎的計算方式。

這項研究的論文於5月24日在《自然通信（Nature Communications）》期刊上發表。研究人員是化學與化學生物學副教 Kalaichelvi Saravanamuttu 的研究生們。Saravanamuttu 副教授的實驗室的研究集中在由自然生物系統啟發的創意。

技術

立方體中的材料讀取並直觀地響應光線，這種方式非常像植物轉向太陽或者墨魚改變皮膚的顏色。

研究人員們能夠採用他們的新方法處理簡單的加減運算問題。

這種計算方式是高度局部化的，無需電源，且完全工作在可見光頻譜範圍內。這項技術是化學的一個分支“非線性動力學”的一部分，並採用設計和製造好的材料生成特定的光線響應。

研究人員讓分層的光線條紋照射通過微型玻璃盒的頂部和側面。該玻璃盒含有棕色的聚合物，其本身的尺寸與棋牌遊戲中使用的骰子差不多。該聚合物一開始是液體，然後轉化為可響應光線的凝膠。

一束中性載波從背面通過立方體，照向可以讀出結果的攝影頭，並由立方體中的材料引起折射。材料的成分自動形成數以千計的細絲，這些細絲對光線圖案作出響應，並生成可以表示結果的新三維圖案。

價值

Saravanamuttu 表示：“自主的材料可以響應刺激並進行智能運算。我們對於能通過這種方法進行加減運算感到非常興奮，我們正在考慮實現其他計算功能的方法。”

這項研究代表了一種全新的計算方式。研究人員稱，這種計算方式有望實現我們尚未想象到的複雜且有用的功能，很可能根據神經網絡的結構進行組織。

論文合著者之一、化學系研究生 Fariha Mahmood 表示：“我們並不想與現有的計算技術競爭，但是我們嘗試打造能進行更智能的複雜響應的材料。”

關鍵字

材料、計算、光學

參考資料

【1】Alexander D. Hudson, Matthew R. Ponte, Fariha Mahmood, Thomas Pena Ventura, Kalaichelvi Saravanamuttu.A soft photopolymer cuboid that computes with binary strings of white light. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-10166-4

【2】https://brighterworld.mcmaster.ca/articles/mcmaster-researchers-develop-a-new-form-of-computing-using-light-patterns/