清华光电融合芯片算力是GPU的3000多倍？媒体搞出的大新闻(2)

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2024-12-02 14:18:14 风云之声

稍有计算机知识的人，会明白基于电流、电压的半导体做计算是比较自然的，二进制逻辑不难懂。就如刘慈欣《三体》中描述的，用几个士兵就能演示与、或、非基本逻辑计算，进而实现加减乘除等数学运算，直到整个计算机系统。

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集成光路示意图

光子其实也是可以搞计算的，而且是零能耗。上图是一个与“集成电路”类似的“集成光路”，激光器产生的光在“光路”的各种元器件里传输处理，效果相当于计算。你可能会想到我的朋友袁岚峰经常介绍的、中国科学技术大学研发的“九章”系列量子计算机，但它和这里说的光计算并不是一回事。九章也是用光来做计算，但它是利用单个光子的量子特性，如叠加和纠缠。而一般说的光计算，用的还是大量光子的干涉、衍射等经典特性。

例如一束光通过透镜衍射，就可以理解为执行傅里叶变换积分。整个过程是“无源”的，能耗为零，无须如集成电路那样外加电源。再一个例子是马赫-曾德尔干涉仪（MZI，Mach–Zehnder Interferometer），可以直接构造出一个2 × 2的矩阵，也是无源的。级联的MZI可以进行矩阵乘法，非常有特性，让MZI成为光计算的基础单元，ACCEL论文里也提到了MZI。这就有些专业了，不象电子世界的二进制逻辑那样容易理解。

下面我们来稍微详细地介绍一下马赫-曾德尔干涉仪。你可能听说过恩斯特·马赫，他是非常著名的物理学家和哲学家，爱因斯坦多次表示受到过他的很大启发。但马赫-曾德尔干涉仪中的马赫并不是恩斯特·马赫，而是他的儿子路德维希·马赫。路德维·曾德尔1891年提出这种干涉仪的构想，路德维希·马赫1892年改进，两人提出的这种干涉仪构型很灵活，被广泛应用于量子力学的基础研究。MZI后来应用到了光通信，近来又用到了光计算，在光学测量中也很常用。

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马赫-曾德尔干涉仪示意图

如图，马赫-曾德尔干涉仪的图像效果是，检测盒（test cell）中的火焰物体，在右方显示为白色火焰（相长干涉，Constructive Interference），上方显示为黑色火焰（相消干涉，Destructive Interference）。核心装置是左下和右上两个“半镀镜”，镀膜的厚度很小，正好让45度角入射的一半光线透射过去，一半反射走。光源经过透镜形成准直光束，被左下的半镀镜分成两道，往上走的叫“样品光束”，平走的叫“参考光束”，半镀镜等于起到了“分光器”（beamsplitter，BS）的作用。参考光束的光路上有一个补偿盒（compensating cell），是和检验盒（test cell）一样的玻璃盒，消除两条光路除样品外的额外影响。精心调整，让两条光路距离一样。两个光束分别被左上和右下的镀银镜全反射，又在上方的半镀镜遇上，一半样品光束透射过它，和被它反射的一半参考光束一起到达右边探测器（屏幕），发生相长干涉；一半样品光束被它反射，和透射过它的一半参考光束一起到达上面的探测器，发生相消干涉。

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你可能想问，既然两条光路距离相同，为什么不是两边都是相长干涉，而是一边相长，一边相消？关键原理是，反射有可能改变相位，也可能不变。最终两束光相位相反就是相消干涉，相位相同就是相长干涉。仔细观察，左下的半镀镜是镀膜（细黑条）在上、玻璃（粗灰条）在下；右上的半镀镜是玻璃在上、镀膜在下。

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