加州理工学院团队用人工生命开启光子计算能力
发布时间：2023-06-19 08:00:00 阅读数： 48
加州理工学院的研究人员使用光学硬件实现了细胞自动机，这是一种由 "世界 "或包含 "细胞 "的网格组成的计算机模型--由网格的每个单独的方块代表--它们可以生存、死亡、繁殖，并进化成具有独特行为的多细胞生物。加州理工学院电子工程和应用物理学助理教授Alireza Marandi表示，这些已被用于执行计算任务的自动机非常适合于光子技术。
"Marandi说："如果你将光纤与铜缆进行比较，你可以用光纤更快地传输信息。"大问题是，'我们能否利用光的这种信息能力进行计算，而不仅仅是通信？为了解决这个问题，我们对思考非常规的计算硬件架构特别感兴趣，这些架构比数字电子学更适合光子学。"
从技术上讲，细胞自动机是计算模型，可以被认为是遵循一套非常基本的规则的模拟细胞，每种类型的自动机都在其自身的规则下运行。然而，在这些简单的规则之外，自动机中可以出现复杂的行为。最著名的细胞自动机之一，称为生命游戏或康威生命游戏，由英国数学家约翰-康威于1970年开发。它只有四条规则，适用于一个可以是活的或死的 "细胞 "网格：
任何活的细胞如果少于两个活的邻居就会死亡，就像人口不足一样。
任何有三个以上活邻居的活细胞都会死亡，就像过度拥挤一样。
任何有两个或三个活邻居的活细胞都能活到下一代。
任何有三个活邻居的死细胞都会复活，就像通过繁殖一样。
运行 "生命游戏 "的计算机以固定的时间间隔将这些规则重复应用于细胞所处的世界，每个时间间隔被视为一代。在几代人的时间里，这些简单的规则导致细胞将自己组织成复杂的形式，并有令人回味的名字，如面包、蜂窝、蟾蜍和重量级的宇宙飞船。
加州理工学院的研究人员开发了一种基于蜂窝自动机的光子计算方法。由加州理工学院提供。
像 "生命游戏 "这样的基本或初级细胞自动机吸引了从事数学和计算机科学理论研究的人员，尽管它们也可以有实际应用。例如，一些基本的细胞自动机可用于随机数生成、物理学模拟和密码学。其他的细胞自动机在计算能力上与传统的计算架构一样强大--至少在原则上。更高级的细胞自动机，具有更复杂的规则，可用于实际计算任务，如识别图像中的物体。
"马兰迪说："虽然我们对我们可以用相对简单的光子硬件模拟的复杂行为类型很着迷，但我们对更先进的光子细胞自动机在实际计算应用中的潜力真的很兴奋。
由于信息处理发生在一个极其局部的水平上--在细胞自动机中，细胞只与它们的近邻互动--它们消除了对使光子计算困难的许多硬件的需求。这些硬件包括移动和存储基于光的信息所需的各种闸门、开关和设备。而光子计算的高带宽性质意味着蜂窝自动机可以运行得非常快。在传统的计算中，蜂窝自动机可能是用计算机语言设计的，而计算机语言是建立在另一层 "机器 "语言之上的，它本身位于构成数字信息的二进制零和一之上。
相比之下，在马兰迪的光子计算装置中，细胞自动机的单元只是超短的光脉冲，可以使操作速度比最快的数字计算机快三个数量级。当这些光脉冲在一个硬件网格中相互作用时，它们可以随时处理信息，而不会被所有传统计算的基础层所拖累。从本质上讲，传统计算机运行的是蜂窝自动机的数字模拟，但马兰迪的设备运行的是实际的蜂窝自动机。
"Marandi说："光子操作的超快性质和在芯片上实现光子蜂窝自动机的可能性可能导致下一代计算机，它可以比数字电子计算机更有效地执行重要任务。
这项研究发表在《光： 科学与应用》（www.doi.org/10.1038/s41377-023-01180-9）。
