利用初等元胞自动机模拟复杂现象的光子平台。a实验装置示意图。b显示ECA Rule 90统一和同步更新的真值表。c显示光子ECA实现中计算的不同阶段和信息流的框图。

对更快、更小、能做更多事情的计算机的永无止境的追求，促使制造商设计出越来越小的晶体管，这些晶体管现在被封装在数以百亿计的计算机芯片中。

到目前为止，这种策略是有效的。计算机从来没有像现在这样强大过。但也有限制:传统的硅晶体管只能做到这么小，因为在某些情况下，制造只有几十个原子宽的器件存在困难。作为回应，研究人员已经开始开发不依赖于硅晶体管的计算技术，比如量子计算机。

另一个研究方向是光子计算，它使用光代替电，类似于光纤电缆取代计算机网络中的铜线。加州理工学院电子工程和应用物理学助理教授Alireza Marandi的新研究使用光学硬件实现了细胞自动机，这是一种由“世界”(网格区域)组成的计算机模型，其中包含“细胞”(网格的每个正方形)，这些细胞可以生存，死亡，繁殖并进化成具有自己独特行为的多细胞生物。这些自动机已经被用来执行计算任务，根据Marandi的说法，它们非常适合光子技术。

康威的生命游戏中出现的“面包”。

描述这项工作的论文题为“模拟复杂现象的光子初级元胞自动机”，发表在5月30日的《光:科学与应用》杂志上。

“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，”Marandi说。“最大的问题是，我们能否利用光的信息能力进行计算，而不仅仅是通信?”为了解决这个问题，我们特别感兴趣的是思考非常规的计算硬件架构，它比数字电子更适合光子学。”

元胞自动机

要完全掌握Marandi团队设计的硬件，重要的是要了解什么是元胞自动机以及它们是如何工作的。从技术上讲，它们是计算模型，但这个术语对大多数人理解它们几乎没有帮助。把它们想象成遵循一套非常基本规则的模拟细胞会更有帮助(每种自动机都有自己的一套规则)。从这些简单的规则中可以产生令人难以置信的复杂行为。最著名的元胞自动机之一，被称为“生命游戏”或“康威的生命游戏”，是由英国数学家约翰·康威在1970年开发的。它只有四条规则，适用于“细胞”网格，这些“细胞”可以是活的，也可以是死的。这些规则是:

康威的生命游戏中出现的“蜂巢”。

任何活的细胞如果有少于两个活的邻居，就会因为人口不足而死亡。

任何活的细胞如果有超过三个活的邻居，就会因为过度拥挤而死亡。

任何活的细胞只要有两三个活的邻居，就能活到下一代。

任何一个死去的细胞只要有三个活着的邻居就会复活，就像通过繁殖一样。

像“生命游戏”这样的基本或“初级”元胞自动机吸引了从事数学和计算机科学理论工作的研究人员，但它们也可以有实际应用。一些初级元胞自动机可用于随机数生成、物理模拟和密码学。其他的在计算上和传统的计算架构一样强大——至少在原则上是这样。从某种意义上说，这些以任务为导向的细胞自动机类似于蚁群，在蚁群中，单个蚂蚁的简单动作结合起来执行更大的集体动作，例如挖隧道，或收集食物并将其带回巢穴。更“高级”的细胞自动机具有更复杂的规则(尽管仍然基于相邻的细胞)，可用于实际的计算任务，如识别图像中的物体。

运行“生命游戏”的计算机反复将这些规则应用于细胞以一定间隔生存的世界，每个间隔被认为是一代。在几代之内，这些简单的规则导致细胞将自己组织成复杂的形式，并具有令人回味的名称，如面包，蜂巢，蟾蜍和重量级太空船。

Marandi解释说:“虽然我们对可以用相对简单的光子硬件模拟的复杂行为类型着迷，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感到非常兴奋。”

理想的光子计算

Marandi说元胞自动机非常适合光子计算，有几个原因。由于信息处理发生在极其局部的水平上(记住在细胞自动机中，细胞只与它们的近邻相互作用)，它们消除了对许多使光子计算困难的硬件的需求:各种门，开关和设备，否则需要移动和存储基于光的信息。光子计算的高带宽特性意味着元胞自动机可以运行得非常快。在传统计算中，元胞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，而“机器”语言本身位于构成数字信息的二进制0和1之上。

相比之下，在Marandi的光子计算设备中，细胞自动机的细胞只是超短的光脉冲，这使得它的运行速度比最快的数字计算机快三个数量级。当这些光脉冲在硬件网格中相互作用时，它们可以在运行中处理信息，而不会被传统计算的所有底层所减慢。从本质上讲，传统计算机运行的是元胞自动机的数字模拟，但马兰迪的设备运行的是真正的元胞自动机。

“光子运算的超快性质，以及在芯片上实现光子细胞自动机的可能性，可能会导致下一代计算机能够比数字电子计算机更有效地执行重要任务，”Marandi说。

参考链接：https://techxplore.com/news/2023-06-photonic-power-artificial-life.html