近年来，人工智能和物联网的迅猛发展推动了计算需求的激增。然而，根据摩尔定律预测,传统的电子计算的性能正接近极限,该定律预测大约每两年在微型芯片上的晶体管将翻一番。因此需要寻找新的计算范式，以满足对速度、规模和能效的日益增长的需求。光计算是一个有前途的解决方案,它利用光的独特属性来进行计算。

东京大学信息光子学实验室的研究人员在光计算领域取得了重大进展，他们开发了一种名为“衍射投射”的新型光学计算结构,该方法基于光的空间平行性概念（这一原则在1980年代被首次探索,被称为“阴影投射”）。传统阴影投射受限于对几何光学的依赖,限制了它的灵活性和集成能力。

衍射投射技术在阴影投射的基础上进行了改进。阴影投射是基于光线与不同几何形状的相互作用，而衍射投射则是基于光波本身的特性，因此基于衍射投射就产生了空间效率更高、功能更灵活的光学元件，这些元件可以按照通用计算机所期望和要求的方式进行扩展。研究人员通过训练多层衍射光学元件，以利用光的空间平行性和波动特性,如衍射和干涉。这使得可以实现具有高灵活性和集成能力的可扩展和并行逻辑运算。无需对输入和输出进行编码和解码，只更改照明模式即可更改运算。

衍射投射的数值实验已经展示出惊人的结果，在两个任意的256位并行二进制输入上实现了所有十六种逻辑运算，且无错误，速度达到光速。该架构在可扩展性和集成方面具有显著的优势,使其成为下一代计算机系统的一个有潜力的解决方案。它的灵活性和可重构性使其可能应用到图像处理、光学计算加速器等各种领域。

这项研究旨在通过空间并行性作为未来计算系统的组成部分来展示光学计算的潜力。它还为一种新的信息处理框架奠定了基础，该架构将成像、传感和计算集成在一起，并可能扩展到各种领域。

（天津津航技术物理研究所 张宁宁）