近年來，人工智能和物聯網的迅猛發(fā)展推動了計算需求的激增。然而，根據摩爾定律預測,傳統(tǒng)的電子計算的性能正接近極限,該定律預測大約每兩年在微型芯片上的晶體管將翻一番。因此需要尋找新的計算范式，以滿足對速度、規(guī)模和能效的日益增長的需求。光計算是一個有前途的解決方案,它利用光的獨特屬性來進行計算。
東京大學信息光子學實驗室的研究人員在光計算領域取得了重大進展，他們開發(fā)了一種名為“衍射投射”的新型光學計算結構,該方法基于光的空間平行性概念（這一原則在1980年代被首次探索,被稱為“陰影投射”）。傳統(tǒng)陰影投射受限于對幾何光學的依賴,限制了它的靈活性和集成能力。
衍射投射技術在陰影投射的基礎上進行了改進。陰影投射是基于光線與不同幾何形狀的相互作用，而衍射投射則是基于光波本身的特性，因此基于衍射投射就產生了空間效率更高、功能更靈活的光學元件，這些元件可以按照通用計算機所期望和要求的方式進行擴展。研究人員通過訓練多層衍射光學元件，以利用光的空間平行性和波動特性,如衍射和干涉。這使得可以實現具有高靈活性和集成能力的可擴展和并行邏輯運算。無需對輸入和輸出進行編碼和解碼，只更改照明模式即可更改運算。
衍射投射的數值實驗已經展示出驚人的結果，在兩個任意的256位并行二進制輸入上實現了所有十六種邏輯運算，且無錯誤，速度達到光速。該架構在可擴展性和集成方面具有顯著的優(yōu)勢,使其成為下一代計算機系統(tǒng)的一個有潛力的解決方案。它的靈活性和可重構性使其可能應用到圖像處理、光學計算加速器等各種領域。
這項研究旨在通過空間并行性作為未來計算系統(tǒng)的組成部分來展示光學計算的潛力。它還為一種新的信息處理框架奠定了基礎，該架構將成像、傳感和計算集成在一起，并可能擴展到各種領域。
（天津津航技術物理研究所 張寧寧）
