第一章第十三节用光进行计算
由于计算机芯片的微型化已接近极限，人们越来越寄希望于全新的计算机技术带动信息技术
的发展。目前科学家认为，光子计算机与生物计算机和量子计算机一样有可能引发全新的革
命。根据推测，未来光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快一千到一万倍。1990
年1月29日，美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光学计算机。它采用砷化镓光学开关
，运算速度达每秒10亿次，尽管这台光学计算机与理论上的光学计算机还有一定距离，但已
显示出强大的生命力。
化学家们“第二次”发明了晶体管：他们将单个荧光分子在各种状态之间进行切换，使
光子计算机的时钟频率达到50万GHz，而硅芯片计算机将被搁置一旁。
荧光的激发
未来计算机的诞生也许会在化学实验室里。慕尼黑的化学硕士罗伯特·雷易泽用简单的实验
阐述了这个观点。他把一种液态的红色色素慢慢地注入盛有无色物质的玻璃器皿中，无色物
质变成了黄色。而且，红色色素倒得越多，玻璃容器中的黄色就越浓。这种实验在学校的化
学课上早已经习以为常，而且可以进行重复不断地操作。但较之不同的是：以若丹明(一种
红色荧光染料)为基础的红色色素在和甲醇（无色物质）的反应中改变了原来的状态，产生
了一种新的化合物。雷易泽先生通过手电证实：除了颜色改变之外，光学特性也得到了改变
。透过玻璃的光线刺激黄色液体发出了一种明亮的光，即荧光，这是物质原来所没有的特性
。
通过液体实验，一个突破性的成果变得越来越直观起来。慕尼黑LMU大学有机化学及宏分子
化学系的科学家们在微观领域取得了惊人的成功。他们可以把单个分子激发出荧光。更可喜
的是：经过长期不懈的努力，他们成功地合成了一种色素，这种色素的单个分子可以在发荧
光状态和不发荧光状态之间任意来回进行切换。
谈到这次发现的意义，雷易泽先生充满激情地说：“这些分子是光学角度的晶体管。”光子
计算机应继承现代电子计算机的优势，可切换分子的发现表明人类向光子计算机的道路上迈
出了重要的一步。电子元件的不断小型化终将受到物理层面的限制，因此晶体管的数量不能
无休止地任意提高。专家们估计，这一局限性将会在十至二十年后体现出来，届时硅的作用
可由荧光色素(色基)来承担。
光子计算机
慕尼黑大学有机化学及宏分子化学工作组组长海因兹·朗格哈斯教授认为，如果人们期望有
极高的处理速度和集成度，就会发现目前高度发展的硅计算机技术的局限
性，这将激发人们探寻使用光分子进行计算的热情。越来越大的存储能力和越来越快的数据
处理能力，迄今为止都是通过硅芯片上元件的不断微型化来实现的。当微型化过程最终达到
其极限值(原子大小的尺寸)时，量子力学效应一定会出现，届时半导体特性就会突然消失。
他估计，PC机要达到10 GHz的频率几乎是不可能的。因为电子复合物越小，导线的比例就越
小。而尺寸缩小，处理速度高时，电子烟雾会越来越成问题。这些因素会相互影响。
光子计算机在继承硅芯片计算机方面具有很好的优势。不过，长期以来，人们对所需要的成
分还不十分了解，对究竟如何才能进行充分的微型化还没有找到答案。现在，朗格哈斯教授
认为答案已经找到了：“有效的荧光色素是当今电子技术的核心元件，是半导体的替代物。
”
早在1990年，美国科学家就已经发现，使用光子可以和电子计算机一样进行计算。曾经发明
过晶体管的贝尔实验室制造出了第一台光子计算机的样机，其中透镜、平面镜和激光束是最
重要的组成设备。
光子计算机的性能
光子计算机是否具有远远超过今天计算机的特性？从电子信号到光子的过渡意味着电线将被
光缆所取代。和电子连接线相反，光缆可以相互交叉，而信号不会相互干扰。电线在每一时
段总是只能传输一个信号，而通过光子可以平行地传输信号。这样，在一条光缆上可以同时
传输不同波长的数百个信号。而且光缆还可以轻松地传输芯片的三维结构。
光子迅速传输信号，同时单个分子之间的距离很小，使制造出超高速度的芯片成为可能。朗
格哈斯教授认为，“这种光物质的工作频率大约是50万GHz。”分子开关比今天最小的计算
机结构还要小1 000倍，还可向三维空间延伸，甚至会出现一比十亿的比例。
那么，这种将开启计算机新时代的奇妙物质究竟是什么样子？就是在实验室的试管里进行滴
定反应，再收集在一只玻璃杯里，经过一长串的化学反应后，得到的最终物质。这首先使人
想到的是尿样检查，要使人对这种黄色液体刮目相看，还需要费大量的口舌。化学家弗里茨
·威策对该结果的解释是：“在这个玻璃杯中，每一升液体中有10的20次方个晶体在游动。
”在他的指导下，学生们开始实习合成这种期望已久的色素。虽然有许多操作步骤，但都不
难掌握。威策说，“所有这些都属于作为一个化学家日常手工操作的范围。”实验中所需要
的原料大都是批量生产的，价格相对便宜。
未来的光学计算机
未来的光学计算机也同样应该能够借助微型激光二极管的光来运行。为此，需要不同波长的
两束激光，以便有目的地对单个分子的荧光进行启合切换。这一步在实验室里就已经做到了
。慕尼黑的化学家们自然还不想开发光学计算机。拿雷易泽先生的话来讲，“我们可以提供
色基和技术，但开发技术方案和产品，那是工程师们的事。”这样，什么时候可以实现，取
决于工业界什么时候能够进入一个崭新的时代。至于开发出产品需要多少年，恐怕没人能够
准确估——也许十年，也许二十年。
朗格哈斯教授和他的同事们在这一领域的研究成果处于世界领先地位。除了他们，至今还无
人能把能量通过可切换的分子来进行传输。美国和日本的科学家们当然也想掌握这种闪光的
材料，研究成果还都处于保密状态。慕尼黑人对此也格外小心，在申报此技术的专利权之前
仍然不会四处张扬。
不过，科学家们已经开始和商界接触了，雷易泽和威策已经通过LAMA CHEM公司在推销含有S
-13的烧瓶，由于S-13具有100%的荧光吸收率，可称为调校仪器的校准物质。
在开发未来光学计算机方面，化学家们仍然还有许多事情要做。超高速芯片不应被慢腾腾的
电子技术所限制。无论什么领域，只要有可能，具有传导功能的聚合物就会取代金属和半导
体的位置。
