毫不誇張地說，計算的未來是 “光明” 的。
近日，PNAS（《美國國家科學院院刊》）發表了來自哈佛大學、麥克馬斯特大學和匹茲堡大學聯合團隊的一項最新成果，他們打造了一個新的全光學計算平臺。
在該平臺中，光束通過新型水凝膠材料能夠實現相互 “智慧” 互動作用，這也就意味著，無電路下僅依靠光與光的相互作用即可實現資訊處理，這一成果無疑為探索基於光學的新的計算形式奠定了基礎。
論文作者之一、匹茲堡大學 Balazs 博士解釋說，這項研究旨在讓我們探索如何在不需要硬體處理器和複雜演算法的情況下，將化學、光學和新型材料結合起來模擬生物過程，執行某種功能。
論文第一作者、哈佛大學工程與應用科學學院的 Amos Meeks 表示，該技術有助於推進全光學計算或僅使用光束進行計算想法的實現。“目前，大多數計算使用硬質材料，如金屬線材、將電子元器件與光耦合的光電二極體。全光學計算背後的理念，正是去掉那些硬質材料元件，用光來控制光線。想象一下，一個完全柔軟的、由太陽能驅動的無電路機器人。”
光學計算的潛力
光學計算被認為是未來最具潛力的計算技術之一，但目前與電子計算機的快速進步相比，光學計算的競爭力明顯不足。在過去幾年中，業界對計算能源的成本問題越來越關注，而光學計算以其能耗低、又可作為 AI 演算法（如深度神經網路）的專用加速硬體等顯著特性，再次引起科學家們的關注。
2019 年 5 月，Feldmann 等人在《自然》期刊上發表了有關 “全光學網路實現” 的最新進展論文，題為 “All-optical spiking neurosynaptic networks with self-learning capabilities”。文章表示，使用光學器件打造的 “全光學” 深度神經網路，可以比傳統計算方式的能效更高，同時具備可擴充套件性、無需光電轉換和高頻寬等優勢。這也為未來光學神經網路加速器的出現打下理論基礎。
這項最新研究中，研究人員研發了一種全新的材料，利用水凝膠在低鐳射功率下的可逆膨脹和收縮的特性來改變光傳播的折射率。
麥克馬斯特大學（McMaster）化學與生物化學系副教授 Kalaichelvi Saravanamuttu 解釋說，這項技術將哈佛大學研究團隊研發的一種水凝膠與在她的實驗室裡進行的光處理和測量技術結合在了一起。她的實驗室專門研究能夠響應光的材料的化學性質。
這種外觀類似於覆盆子果凍（raspberry Jell-O）的半透明材料，在融合了遇光會發生結構變化的光敏感分子後，會產生凝膠的特殊性質：既能控制光束，又能在光束之間傳遞資訊。
光控制光
通常，光束在傳播時會變寬，但是這種凝膠能夠控制鐳射絲沿著其最初照射的路徑穿過材料，就好像光是通過一根管子照進來的。
研究人員已經證實，當多個直徑約為人頭髮絲一半粗的鐳射束照向同一種材料時，即使它們的光場完全沒有重疊，它們也會影響彼此的強度，光影響凝膠的能力，反過來，凝膠會影響光的傳播，這就形成了一個漂亮的反饋迴路，事實證明這種凝膠是 “智慧的”。
Saravanamuttu 解釋說，這些光絲之間的相互作用可以被停止、啟動、管理和讀取，從而產生可預測的高速輸出，即一種可以用於開發無電路計算形式的資訊。“儘管這些光束是分開的，但他們仍然可以互相覺察到對方，並因此發生變化，從長遠來看，我們可以設想使用這種智慧響應能力來設計計算操作。”
Saravanamuttu 實驗室研究生、論文作者之一 Derek Morim 說，雖然光學計算是一個獨立的、正在發展的領域，但這項新技術引入了一個很有前途的平臺，Derek Morim 說，“我們不僅可以設計光響應材料，在有光的情況下，可逆地改變其光學、化學和物理特性，而且我們可以利用這些變化創造光的通道或自陷光束，來引導和操縱光。深入地研究如何以特定的方式處理光和材料，可能會讓我們設計出更加複雜的材料。”
研究人員表示，第一次觀察到光的自捕獲現象，是在 1964 年，但是當時使用的是約束條件下可用的大型、強鐳射，而現在可以在外界環境中，使用更少的能量，更輕鬆地實現這些行為，從而極大地擴充套件非線性光學在應用中的潛在用途。
Balazs 博士說：“很少有材料設計了內建的反饋迴路，響應的簡單性為模擬生物過程（例如運動和交流）提供了一種令人興奮的方式。”
論文題目：Opto-chemo-mechanical transduction in photoresponsive gels elicits switchable self-trapped beams with remote interactions
文章地址：https://doi.org/10.1073/pnas.1902872117
摘要：
Next-generation photonics envisions circuitry-free, rapidly reconfigurable systems powered by solitonic beams of self-trapped light and their particlelike interactions. Progress, however, has been limited by the need for reversibly responsive materials that host such nonlinear optical waves. We find that repeatedly switchable self-trapped visible laser beams, which exhibit strong pairwise interactions, can be generated in a photoresponsive hydrogel. Through comprehensive experiments and simulations, we show that the unique nonlinear conditions arise when photoisomerization of spiropyran substituents in pH-responsive poly (acrylamide-co-acrylic acid) hydrogel transduces optical energy into mechanical deformation of the 3D cross-linked hydrogel matrix. A Gaussian beam self-traps when localized isomerization-induced contraction of the hydrogel and expulsion of water generates a transient waveguide, which entraps the optical field and suppresses divergence. The waveguide is erased and reformed within seconds when the optical field is sequentially removed and reintroduced, allowing the self-trapped beam to be rapidly and repeatedly switched on and off at remarkably low powers in the milliwatt regime. Furthermore, this opto-chemo-mechanical transduction of energy mediated by the 3D cross-linked hydrogel network facilitates pairwise interactions between self-trapped beams both in the short range where there is significant overlap of their optical fields, and even in the long range––over separation distances of up to 10 times the beam width––where such overlap is negligible.
參考資料：
https://www.pnas.org/content/117/8/3953
https://scitechdaily.com/researchers-create-intelligent-interaction-between-light-and-material-new-form-of-computing/
https://www.engineering.pitt.edu/News/2020/Balazs-Yashin-SP-Biomimicry-PNAS/