━━━━━

利用由1000個元件構成的光處理器探索后摩爾定律時代。 

我們可以用光子來承載數據，但卻要依靠電子來運用數據。也許有一天這種分工不會再如此明顯。惠普實驗室（位于加州帕洛阿爾托，現在屬于惠普企業，或稱HPE）的一支團隊制作了一塊演示芯片，可以在光學領域解決某些特別棘手的計算問題，有望在提高速度的同時減少整個過程的能源消耗。

硅集成電路包含可操縱光的部件已不新鮮。但惠普實驗室高級研究員戴夫?凱爾平斯基（Dave Kielpinski）表示，這塊包含了1052個光學元件的芯片是最大、最復雜的一個，它的全部光子元件共同執行計算。他說：“我們相信這是一個巨大的飛躍。”該芯片是通過美國國防高級研究計劃局的“介子動力架構”項目開發出來的，在本期雜志英文版付印之時，該芯片還在進行測試，同時它也是“伊辛機”的一種實現形式。“伊辛機”是一種計算方法，也許能比傳統計算機更快地解決一些問題，比如著名的“旅行推銷員問題”。

伊辛方法的基礎模型有100年的歷史，研究的是原子的磁場如何通過相互作用而產生磁力。該模型設想每個原子都有一種“自旋”屬性，要么指向上方，要么指向下方。當溫度高于一定數值時，鐵磁材料中的這些自旋便會發生隨機定向，受熱后還會反復改變方向。而當溫度降到一定數值之下后，原子間的相互作用便占據主導地位，大多數自旋也會穩定下來，指向同一個方向。

受這一模型啟發的計算機即所謂的“伊辛機”，采用此類沉降行為得出優化問題的答案。人們通過調整各計算元素之間的互動來把待解決的問題輸入到伊辛機里。這些元素，也就是“自旋”，被設計為其兩種狀態中的一種，并且產生相互作用，直至達到一種低能耗優化配置狀態才穩定下來。

━━━━━

斯坦福大學的山本喜久率先嘗試了一種利用光制造這樣一臺機器的方法。在他的系統里，“自旋”即為光的兩相，相互異相180度。2014年，山本和他的同事在這個想法的基礎上，利用反光鏡、激光及其他光學元件在實驗室制作了一臺4自旋機器。

不過，山本在斯坦福大學的團隊成員彼得?麥克馬洪（Peter McMahon）表示，在宏觀效應，也就是普通噪聲的影響下，按比例擴大這臺機器是非常復雜的。即使一個人在清空附近的垃圾箱時產生的振動也足以引起一條延遲線（系統的一部分，用于傳達延遲，這樣各自旋在相遇時就可以進行恰當互動）不易察覺的膨脹或收縮，進而改變光相位，擾亂計算。麥克馬洪表示，雖然這種擾亂可以糾正，但按比例擴大該系統看起來既花費高昂又不切實際。

所以，團隊最終改變了方法，在混合系統中引入了電子反饋。2016年10月，麥克馬洪和同事們在美國《科學》雜志上發表文章，稱他們已使用這種光電混合系統制造出了一臺帶有100個自旋的伊辛機。同一期還刊登了他們團隊中若干科學家進行的研究，他們擴展了這項技術，制造出一臺帶2000個自旋、更為專業化的計算機。

━━━━━

HPE芯片的設計目的是提供一種緊湊方式，無需這類電子反饋。芯片上有4個區域被稱為“節點”，用于支持4個紅外光自旋。紅外光離開節點后，便進行了分裂，并在干涉儀中與其他每個節點的紅外光相結合。干涉儀內置電加熱器，用于改變鄰近元件的折射指數和尺寸。而這又調整了每個光束的光程以及光束的相對相位。加熱器溫度會對待解決的問題進行編碼，因為兩個光束結合時，溫度能夠決定一個自旋對另一個自旋產生影響的程度。

然后這些相互作用產生的所有輸出會被壓縮并反饋給節點，接下來，被稱為“微環諧振器”的結構會對每個節點上的光進行清理，如此，它便又擁有兩種相位中的一種。光在干涉儀和節點中反復循環，推動自旋在0~180度相位間轉動，直至系統實現平衡，指向唯一的答案。

麥克馬洪表示，該系統可以解決2014年伊辛機面臨的振動問題。他說，“如果你把所有元件都集成在一塊小芯片上”，那么光所走的路徑便能在硅上刻出來。他又解釋說，“從定義來看，這些基本上都是固定的東西”，所以任何振動或溫度波動都可能影響光所走的路徑。不過麥克馬洪還指出，把這種方法用于計算還為時尚早；依舊需要繼續探索這些光系統實現平衡所依靠的基礎物理，以及它們相對傳統機器的競爭優勢有哪些。

戴夫?凱爾平斯基表示，HPE芯片項目的主要目標是推動光子芯片設計的發展。“計算機輔助布局工具是我們的驕傲。”他在2016年10月份的圣地亞哥首屆IEEE國際重啟計算會議（該會議聚集了許多在摩爾定律失效之際研究替代辦法以提高計算機性能的研究人員）上介紹了這款芯片。

未來，諸如此類的伊辛芯片也許能夠作為加速器、加速專用設備，就像今天許多機器里的圖形處理單元那樣。凱爾平斯基表示，這支團隊正在研究能增加自旋數量的設計。

作者：Rachel Courtland