研究人员正在探索光子计算作为硅基技术的替代方案，原因在于制造微小硅晶体管的困难。

永无止境的追求更快、更小、更具多功能性的计算机，推动制造商设计了越来越小的晶体管，如今以数百亿的数量被集成到计算机芯片中。

迄今为止，这种策略取得了成功。计算机的性能从未像现在这样强大。然而，也存在一些限制：传统的硅晶体管由于制造难度的原因，只能做到一定程度的微小化，某些情况下，仅仅只有几十个原子的宽度。为了应对这个问题，研究人员已经开始开发诸如量子计算机等不依赖于硅晶体管的计算技术。

另一个研究领域是光子计算，它使用光来代替电力，就如同光纤电缆在计算机网络中取代铜线一样。加州理工学院的电气工程和应用物理助理教授阿里雷扎·马兰迪进行了新的研究，利用光学硬件实现了细胞自动机，这是一种计算机模型，包含一个"世界"（一个有网格的区域），其中包含"细胞"（网格上的每个方块），它们可以生存、死亡、繁殖并进化成具有自己独特行为的多细胞生物。这些自动机已被用于执行计算任务，并且根据马兰迪的说法，它们非常适用于光子技术。

“如果你将光纤与铜缆进行比较，你会发现光纤可以更快地传输信息，” Marandi说道。“重要的问题是，我们是否能够利用光的信息容量来进行计算，而不仅仅是通信？为了解决这个问题，我们特别感兴趣于思考非传统的计算硬件架构，这些架构比数字电子设备更适合光子学。”

细胞自动机

要完全理解马兰迪团队设计的硬件，了解细胞自动机的概念和工作原理是很重要的。从技术上说，它们是计算模型，但这个术语对大多数人来说帮助不大。更有帮助的是将它们视为模拟的细胞，这些细胞遵循一套非常基本的规则（每种自动机都有自己的一套规则）。通过这些简单的规则，令人难以置信的复杂行为可以产生。最有名的细胞自动机之一是被称为“生命游戏”或康威生命游戏的英国数学家约翰·康威于1970年开发的。它只有四条规则，适用于一个由“细胞”组成的网格，每个细胞可以是活着的或死了的。这些规则如下：

一个运行生命游戏的计算机会以一定的时间间隔重复地将这些规则应用于细胞所存在的世界，每个时间间隔被视为一个世代。在几个世代之内，这些简单的规则使得细胞自组织成具有如面包、蜂房、蟾蜍和大型太空飞船等含意丰富的复杂形态。

基本的、或者说“初级的”，细胞自动机，比如生命游戏，吸引了从事数学和计算机科学理论研究的学者，但它们也可以有实际应用。一些初级细胞自动机可以用于随机数生成、物理模拟和密码学。另外一些在计算能力上与传统计算架构一样强大，至少从原理上来说是如此。在某种意义上，这些以任务为导向的细胞自动机类似于一个蚁群，其中个体蚂蚁的简单行动相互结合，以完成更大规模的集体行动，比如挖掘隧道，或者采集食物并带回巢穴。更“高级”的细胞自动机，它们具有更复杂的规则（尽管仍基于相邻的细胞），可以用于实际的计算任务，比如在图像中识别物体。

马兰迪解释道：“尽管我们对于用相对简单的光子设备模拟出的复杂行为着迷不已，但我们对于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。”

适用于光子计算

Marandi表示细胞自动机非常适合用于光子计算，原因有几点。首先，由于信息处理发生在极其局部的层面上（在细胞自动机中，细胞仅与其直接邻居相互作用），它们消除了使光子计算困难的许多硬件需求：各种用于移动和存储基于光的信息的门、开关和设备。此外，光子计算的高带宽特性意味着细胞自动机可以运行得非常快速。在传统计算中，细胞自动机可能会以一种计算机语言进行设计，该语言建立在另一个底层的“机器”语言之上，而后者本身则依托构成数字信息的二进制零和一。

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光脉冲，这可以使操作速度比最快的数字计算机快三个数量级。当这些光脉冲在硬件网格中相互作用时，它们可以在进行信息处理的同时避免被传统计算机底层的所有层次所拖慢速度。实质上，传统计算机运行的是细胞自动机的数字模拟，而Marandi的设备则是运行着真正的细胞自动机。

“光子操作的超快速特性以及光子细胞自动机在芯片上实现的可能性，可能会引领下一代计算机比数字电子计算机更高效地执行重要任务，”Marandi说道。

这篇论文名为《用于模拟复杂现象的光子细胞自动机》，发表在5月30日的《光学：科学与应用》杂志上。