光和热：在这个全光处理器上的很多固定元件被用于片上加热器的接线。（图片来源：惠普企业）
我们可以使用光子来携带我们的数据，但是我们目前依靠电子来处理它们。未来有一天，光与电的区别可能不那么明显。位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的惠普实验室的一个团队已经发明了一个演示芯片，可以用光来处理特别棘手的计算，从而提高速度和节省能源。
包含可以操纵光的部件的硅集成电路不是新的尝试。惠普实验室高级研究科学家Dave Kielpinski（现为惠普企业）的一部分，也称HPE）表示，该芯片集成了1,052个光学组件，是所有光子组件协同工作以进行计算的最大最复杂的芯片。 “我们认为这是一个大幅度的提升。”他说道。
该芯片通过美国国防高级研究计划局的介质动力学架构计划（Mesodynamic Architectures）开发，在接受《IEEE综览》（IEEE Spectrum）报道时仍在进行测试。这是一种伊辛机（Ising machine）。伊辛机有解决一些问题的潜力，例如能比传统计算机更快解决“臭名昭著”的“旅行推销员问题”。
伊辛模型是基于一个古老的解释原子的磁场如何相互作用产生磁性的模型。该模型设想每个原子具有称为“自旋”的属性，指向上或下。在铁磁材料中，在一定温度以上，这些自旋是随机取向的，并通过受热反复翻转。但是当温度降到某一阈值以下时，原子之间的相互作用占主导地位，并且大多数自旋稳定到同一方向。
基于这种模型（伊辛机）的计算机使用这样的设定来得到优化问题的答案。要解决的问题通过调整其计算元件之间的相互作用而被输入到机器中。这些元件（相当于铁磁材料中原子的“自旋”）被设计为处于两种状态之一并且彼此相互作用，直到它们稳定到对应于低能量状态的最优配置。
斯坦福大学的YoshihisaYamamoto开创了一种用光处理问题的这种机器的制作方法。他的系统用彼此相位相差180度的光来表示自旋。在2014年，Yamamoto和他的同事在实验室中提出了基于这个想法，并构造四自旋机器，用镜子，激光器和其他光学部件组成。
但是，斯坦福大学Yoshihisa Yamamoto课题组的成员PeterMcMahon表示，扩大机器的尺寸因为普通（声学）噪声这种宏观效应变得复杂。即使由附近的人在倒垃圾产生的振动也可能引起延迟线（delay line）的微妙膨胀或收缩。延迟线是系统的一部分，其用于产生延迟，使得自旋粒子在它们相遇时能够正确地相互作用。这种膨胀或收缩对光的相位的影响足以破坏计算。虽然这种扰动可以纠正，但扩大系统看起来将变得不切实际和昂贵，McMahon说道。所以最终，团队改变了他们的方法，在系统中引入电子反馈。在2016年10月，McMahon和他的同事在《科学》（Science）杂志上宣布，他们已经使用这种混合光电子系统来创建一个具有100个自旋的伊辛机。研究报告在同一期由一些同样的科学家扩展了这个项目，以创建一个更专业的、2000自旋的计算机。
线级别的器件：惠普企业芯片的特写：加热器线、微环谐振器、波导和光输入/输出组件。
惠普企业的芯片设计为不需要这种电子反馈的紧凑方法。芯片上的四个区域（称为节点），支持由红外光制成的四个自旋态。在光离开每个节点之后，它被分裂并与来自干涉仪内部的每个其他节点的光组合。内置于干涉仪中的电加热器用于改变附近组件的折射率和物理尺寸。这将调整每个光束的光路长度，并且因此调整其相对于其他光束的相位。加热器温度对要解决的问题进行编码，因为它们决定当两个光束合并时，一个自旋的状态对另一个自旋影响的重要程度。所有这些相互作用的结果被输出然后被冷凝并反馈回节点，其中称为微环谐振器的结构清除每个节点中的光，使得其再次具有两个相位之一。光循环遍历干涉仪和节点，在0度和180度的相位之间翻转自旋，直到系统平衡到单一状态。
McMahon说这个系统可以消除2014年版伊辛机面临的振动问题。 “如果你把所有的东西都集成在一个小芯片上，”他说，光的路径是用硅片刻蚀的。 “这些都是几乎被定义为非常固定的东西，”他解释说，任何振动或温度摆动都将影响光可能选择的所有路径。但是McMahon指出，这种计算方法还处于初期阶段；他说，这些光学系统达到平衡的基本物理学以及它们与常规机器的潜在竞争力仍需要探索。
惠普企业芯片项目的一个关键目标是，推动光子芯片设计的极限。 “我们最引以为傲的是我们的计算机辅助布局工具，”Dave Kielpinski说。他在十月份在圣地亚哥举行的IEEE国际重新启动计算会议（IEEE International Conference on Rebooting Computing）上介绍了芯片，并收集了一些研究人员认为可以帮助保持改进计算机的方法，这些方法有望使计算机突破摩尔定律。
在未来，像这样的伊辛芯片可能就像加速器一样，在当今许多机器中使用的图形处理单元发挥作用。 Kielpinski说，该团队正在调查可用于扩展到更多自旋态的设计。
翻译：马卉
校审：王舟
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