新型计算方式：由光线设计而成！

导读

据加拿大麦克马斯特大学官网近日报道，该校研究人员让图案化的光影彩带穿过聚合物立方体的不同面，并读取显现的综合结果，开发出一种简单且高度新颖的计算方式。

背景

传统的电子计算机是通过电流来传递和处理信息，用晶体管操控电信号，进行二进制信息“0”和“1”的比特运算。

（图片来源：谢菲尔德大学）

近年来，由于摩尔定律面临严峻挑战，传统计算机芯片的性能提升正遭遇瓶颈。因此，科学家们开始探索新的计算方式，例如量子计算机、细胞计算机等。

"IBM Q"量子计算机系统（图片来源：IBM研究院）

具有双核处理器的细胞计算机 (图片来源:
Colourbox/Steven Emmett, ETH Zurich)

光学计算技术，即采用光学方法来实现运算处理和数据传输的技术，也是一种非常重要的新兴计算方式。它不仅可以降低能耗，还可以提升运算速度。

基于光线的脑启发芯片示意图（图片来源：Johannes Feldmann）

创新

近日，加拿大麦克马斯特大学的研究人员，让图案化的光影彩带穿过聚合物立方体的不同面，并读取显现的综合结果，开发出一种简单且高度新颖的计算方式。

（图片来源：麦克马斯特大学）

这项研究的论文于5月24日在《自然通信（Nature Communications）》期刊上发表。研究人员是化学与化学生物学副教 Kalaichelvi Saravanamuttu 的研究生们。Saravanamuttu 副教授的实验室的研究集中在由自然生物系统启发的创意。

技术

立方体中的材料读取并直观地响应光线，这种方式非常像植物转向太阳或者墨鱼改变皮肤的颜色。

研究人员们能够采用他们的新方法处理简单的加减运算问题。

这种计算方式是高度局部化的，无需电源，且完全工作在可见光频谱范围内。这项技术是化学的一个分支“非线性动力学”的一部分，并采用设计和制造好的材料生成特定的光线响应。

研究人员让分层的光线条纹照射通过微型玻璃盒的顶部和侧面。该玻璃盒含有棕色的聚合物，其本身的尺寸与棋牌游戏中使用的骰子差不多。该聚合物一开始是液体，然后转化为可响应光线的凝胶。

一束中性载波从背面通过立方体，照向可以读出结果的摄像头，并由立方体中的材料引起折射。材料的成分自动形成数以千计的细丝，这些细丝对光线图案作出响应，并生成可以表示结果的新三维图案。

价值

Saravanamuttu 表示：“自主的材料可以响应刺激并进行智能运算。我们对于能通过这种方法进行加减运算感到非常兴奋，我们正在考虑实现其他计算功能的方法。”

这项研究代表了一种全新的计算方式。研究人员称，这种计算方式有望实现我们尚未想象到的复杂且有用的功能，很可能根据神经网络的结构进行组织。

论文合著者之一、化学系研究生 Fariha Mahmood 表示：“我们并不想与现有的计算技术竞争，但是我们尝试打造能进行更智能的复杂响应的材料。”

关键字

材料、计算、光学

参考资料

【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/

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