雖然每一代計(jì)算機(jī)在性能上都比前一代強(qiáng)很多，但是研究人員希望利用光來制造一種嶄新的機(jī)器。他們的目標(biāo)是沖破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的束縛，從而造出一臺(tái)不僅勝過當(dāng)今的巨型計(jì)算機(jī)而且最終能夠挑戰(zhàn)甚至超過人腦的機(jī)器。
這樣一臺(tái)計(jì)算機(jī)將使用一些能夠以光速處理信息的線路取代常規(guī)的電子線路。目前的計(jì)算機(jī)使用電子傳送信息，但是新線路將使用光子傳遞信息。這種方法有望使計(jì)算機(jī)的速度增加１００倍，并且光子計(jì)算機(jī)使用的電能將是電子計(jì)算機(jī)的百分之一。
德國(guó)達(dá)姆施塔特大學(xué)的科爾內(nèi)利婭·登茨博士說：“光子運(yùn)算有著巨大的潛力。光子計(jì)算機(jī)能夠做常規(guī)計(jì)算機(jī)無法辦到的事。”她正在負(fù)責(zé)研究光學(xué)技術(shù)，這些技術(shù)在光子計(jì)算機(jī)中是必需的。設(shè)在德國(guó)小鎮(zhèn)耶拿的另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)室也在使用光開發(fā)計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)具有一種能夠像人腦那樣工作的存儲(chǔ)器。這種聯(lián)合存儲(chǔ)器可讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行模式匹配，以及其他一些人腦執(zhí)行起來容易但是對(duì)常規(guī)計(jì)算機(jī)來說不僅困難而且耗時(shí)的任務(wù)。
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)師采用光學(xué)設(shè)計(jì)不僅有望建成能夠在其他方面模擬人腦行為的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且將比人腦的處理速度快數(shù)千倍。如果是這樣的話，光電技術(shù)也許將為人們帶來真正的人工智能。
有兩個(gè)主要的因素決定第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)有望在未來十年內(nèi)投入商業(yè)使用。到２０１５年，目前快速發(fā)展的硅半導(dǎo)體技術(shù)將止步不前，很多研究人員認(rèn)為，等不到２０１５年基本的物理規(guī)律就會(huì)阻礙科學(xué)家制造更高性能的芯片。與此同時(shí)，對(duì)推動(dòng)著因特網(wǎng)發(fā)展的更多數(shù)據(jù)和更快速度的需求，迫使人們采用速度更快的路由器，而采用常規(guī)電子設(shè)計(jì)的路由器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到所需速度的。
光子技術(shù)目前已成為因特網(wǎng)的基礎(chǔ)。一度是實(shí)驗(yàn)室新奇事物的光纖現(xiàn)在為因特網(wǎng)和電話網(wǎng)絡(luò)傳送著幾乎所有的信號(hào)。只是在用戶和電話交換局之間才使用電信號(hào)。原因是，與老式的電纜相比光纖不僅能夠傳輸多得多的信息，而且傳輸?shù)木嚯x也更遠(yuǎn)。
今天，很大一部分因特網(wǎng)設(shè)備把光纖中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便這些信號(hào)能夠方便地在電纜之間傳送。這一過程限制了這類設(shè)備處理數(shù)據(jù)的速度，因此工程師正在試圖利用光子本身做更多的事。
德國(guó)海因里希—赫茲學(xué)院的研究人員已開發(fā)出一種新型的光纖交換器，這種交換器將使新一代的萬億比特網(wǎng)絡(luò)成為可能。在這種網(wǎng)絡(luò)中，每根光纖的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)每秒鐘１萬億比特，當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度只可能達(dá)到這一速度的１／２５。
當(dāng)前光子研究的很大一部分工作集中在可把微處理器的計(jì)算能力與光纖的信息傳輸能力結(jié)合在一起的混合設(shè)備上。信號(hào)在計(jì)算機(jī)中的傳輸距離與其在因特網(wǎng)通信中的傳輸距離相比是微不足道的，但是即使傳輸距離只有幾厘米，電子的速度也會(huì)變成影響傳輸?shù)钠款i。
隨著芯片的速度越來越快，芯片間需要更多的連接以獲得足夠的數(shù)據(jù)。僅僅使用電子連接會(huì)使提高速度變得非常困難。電子在金屬中的傳輸速度只是光子在空氣中傳播速度的１／１０。當(dāng)電子在電路板上的導(dǎo)線中移動(dòng)時(shí)，其他因素也會(huì)降低電子的速度。
另外一個(gè)問題是在一塊硅芯片上連接的導(dǎo)線數(shù)也是有限制的。為了讓更多的數(shù)據(jù)傳入或者傳出芯片，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)人員要么必須加快電子的速度（這在目前是不可能的），要么必須把數(shù)據(jù)分配到更多的導(dǎo)線中。即使是第二種方法也有其局限性。
芯片一直在變小，在芯片和電路板之間安排多少連接是有限的。目前，這個(gè)限度大約是每塊芯片１０００個(gè)連接。為了節(jié)約成本，實(shí)際的連接數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)限度。
如果使用光，就有可能把這個(gè)限度擴(kuò)大９倍。這是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)師的夢(mèng)想。這樣，不僅信號(hào)的傳輸速度加快，而且數(shù)據(jù)可分散到更多的連接中，從而達(dá)到更快的速度。芯片的表面將排滿激光器，這些激光器把信號(hào)發(fā)送到另外一個(gè)裝有接收器的芯片上。沒有必要通過光纖把芯片連接起來。把芯片對(duì)齊后，光子能夠穿過空氣直接到達(dá)下一塊芯片。與完全電子化的計(jì)算機(jī)不同，這些芯片不是貼在電路板上的，而是安裝在一塊壁板上，所以芯片的整個(gè)表面都可安裝激光器和探測(cè)器。
光子優(yōu)于電子的另外一個(gè)方面是，如果兩束光子的路線相交叉，它們不會(huì)相互影響。只是在兩束光子照射到同一個(gè)探測(cè)器上時(shí)，才會(huì)有影響。電路板設(shè)計(jì)要求電路分離，以避免短路，而光束則能夠在計(jì)算機(jī)里的二維空間或者三維空間中穿行。
通過引進(jìn)能夠在芯片之間指引光路的裝置，有可能制造出比電子裝置網(wǎng)絡(luò)密度大很多倍的網(wǎng)絡(luò)。這也是研究人員指望使用光子計(jì)算機(jī)制造新一代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原因。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬大腦中神經(jīng)元的行為。但是，單純的電子設(shè)計(jì)無法像大腦細(xì)胞那樣形成數(shù)量巨大的神經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)系。把電線換成可導(dǎo)向的光束之后，科學(xué)家就能夠朝著模擬大腦行為的方向邁進(jìn)一步，但是光信號(hào)的傳輸速度要比生物電信號(hào)的速度快很多倍。
光子技術(shù)不會(huì)很快就用在一般的臺(tái)式計(jì)算機(jī)中，但對(duì)巨型計(jì)算機(jī)來說則是另外一回事。很多巨型計(jì)算機(jī)使用一種稱為并行處理的技術(shù)，在這種計(jì)算機(jī)中，成百甚至成千的芯片聯(lián)合處理一項(xiàng)任務(wù)。在當(dāng)前的電子系統(tǒng)中，成問題的是通信速度，而使用一堆激光器就能輕而易舉地解決這個(gè)問題。
雖然可合用電子設(shè)備和光子設(shè)備以解決通信瓶頸，但是信號(hào)在兩者之間轉(zhuǎn)換要花時(shí)間。另外，激發(fā)電子開關(guān)也需要時(shí)間。為了達(dá)到最大速度，最好是一個(gè)電子設(shè)備也不使用。隨著光子在系統(tǒng)內(nèi)飛行，所有的計(jì)算都由它們做出。這些計(jì)算機(jī)所需的是一種光開關(guān)，這種開關(guān)要和在硅芯片上的電子開關(guān)一樣小。這個(gè)問題要靠采用另外一種技術(shù)———全息圖來解決。
現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)是由電子來傳遞和處理信息。電場(chǎng)在導(dǎo)線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運(yùn)載工具運(yùn)動(dòng)的速度都快，但是，從發(fā)展高速率計(jì)算機(jī)來說，采用電子做輸運(yùn)信息載體還不能滿足快的要求，提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度也明顯表現(xiàn)出能力有限了。而光子計(jì)算機(jī)以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，利用激光來傳送信號(hào)，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)及相位的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過電子“0”、“1”狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。
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