信息科学—硅以后的生活

替代办法从实用的解决途径，譬如利用光束来携带信息；到只有内行才理解的电脑，包括驾驭 D NA、奇怪的量子行为和真正大脑细胞的电脑等等。这种电脑几秒钟所能解决的问题，现代电脑则要花费几个月，甚至几年才能破解。电脑的进化一直是惊人的迅速，但未来可能比今天的想象还要奇异。

光学电脑

　　利用光来传递信息并非一个新的想法。光导纤维在通信设备领域中已经得到尝试和检验，它携带大量信息往来于因特网之上。问题在于，就连最细小的光导纤维，若贴到电路板上也远远太大，太昂贵。因此科学家们正在寻求传输光的替代方法。

　　一个做法是采用所谓的光子晶体作为波导。光子晶体由相互连接的条形整齐排列构成。这些条形所起的作用如同镜子，以反射光和阻止光逃逸，在该结构中凿出一个个孔洞，以使光得以从晶体的一部分移动到另一部分。光在很小空间里转弯是可能的，甚至可以使之在只有一张邮票大小的区域内转90度，而其在沿途的损失却不超过5％。

当研究人员改变条形之间的距离时，他们便能够调整被困在这些空间里的光的频率。这对同时进行几项运算来说也许是有用的，办法是使不同频率的光传输不同数据。

硅发光二极管

　　在一些研究人员提出传输光的方法的同时，另外一些人则正在研究如何产生光。萨里大学的凯文·霍姆伍德教授通过将原子大小的罗网置入硅中，迫使其发光。这些罗网将电子围困，迫使其发出光。结果研制出在室温下工作的硅发光二极管（LED）。这一发现对电脑工业来说可能是重要的，因为该产业完全依赖硅。

　　您已经通过把硅变成发光二极管使硅发光。您今后的计划是什么？有人对凯文·霍姆伍德教授提出这样的问题。

　　传输数据需要某种运算速度非常快的东西，激光会比发光二极管快得多。下一步实际上是设法把我们的发光二极管变成一种半导体激光。这就是我们目前正在研究的。

　　家用电脑什么时候会用上光来传输信息？

　　我想它到2010年将会进入电脑。因此我们现在所谈的问题将在2008年左右成为热门。眼下我猜测，电脑大概将利用标准技术达到4GHz左右，而无法更快。如果该产业想让电脑加快到8、20甚至40GHz，它们就不得不转而采用光。

　　为什么使用硅？

　　该产业喜欢用硅和传统技术。我们所研制的装置能够利用十分传统的设备制造。当然，有了一项全新的技术，产业将需要拿出全新的电脑结构，但我们正在加速做到这一点，或者起码对此加以考虑。

　　我们是否有朝一日会有完全光学的电脑？

我并不认为人们会改变一切去采用光学。如果这样，微型芯片上会十分拥挤。而光是一条捷径，用以避开电路中的大量二进制传输，以便保持高速。这就像在一个大家都很忙的房间里站立而想与屋子另一边的某人取得联系―向其招手比从人群中挤过去要容易得多。不过，可以把微处理器的时钟改造成光学的。该时钟使一切保持同步，注意一切动向―这是我愿意改变的头几样东西之一。

采用脱氧核糖核酸的计算

　　目前对未来电脑的一些研究成果听起来已经像科学幻想小说。比今天最快的电脑快许多倍的可能会装在很小的一滴液体之中。它们不会是用硅制成，而是用DNA，即生命的物质本身建造。

　　生物利用数据的方式类似于电脑处理信息的方式。这一相似之处是美国数学家伦纳德·阿德尔曼于1994年发现的。由于10万亿缕 D NA能够被石子大小的一滴液体所容纳，而且全都能够同时处理信息，所以它们可能会解决科学的一些最棘手的问题。

　　阿德尔曼说，DNA虽然是一种生机勃勃的分子，但却并不善于接受处理。在试管之间注入大量溶液造成DNA缕的切变，因此我们决定采取新的做法。我们不是在试管里计算，而是试图重新设计来自大肠杆菌的细胞来执行计算。目前我们距离进行人类试验还有漫长的道路。

　　DNA计算可能是所有新的计算技术当中最诱人的。然而，在与DNA打交道方面遇到的巨大困难意味着，它可能永远也不会依靠自己的力量形成一种传统电脑。科学家 们所能够祈望的也许顶多是一种协同式处理器，解决比较棘手的问题并向中央处理器汇报。即使到那时，它所执行的任务大概也会很简单。

　　然而，研制一种独立的DNA电脑的梦想并没有破灭。今年1月，日本的奥林巴斯公司宣布，它研制出了一种能够识别与疾病有关的基因的样机。由于人类基因组计划所带来的对基因分析的不断增加的需求，所以DNA电脑可能会在全世界的医学实验室中找到一个温馨的家。神经电子学把硅片与生物的大脑组织结合在一起听起来如同科学幻想小说里才会见到的未来。但如今，生活正在模仿艺术，计算技术最奇异的前沿正在实验室里被一再地向前推进。

　　去年，马克斯·普朗克生物化学研究所的彼得·弗罗姆赫兹教授成功地用一块硅片和从蜗牛大脑中摄取的神经细胞组成了一个电路。这些蜗牛细胞被用小钉固定在硅电路板上，它们生长出了彼此之间的联接，这些联接后来形成了电信号的一条路径。当细胞底部的一个晶体管造成电压的改变时，一个电脉冲就从一个神经细胞传输到另外一个。第二个神经细胞然后刺激其底部的晶体管，从而形成一个完整的电路。这项实验证明，人工设计一个不仅包含电子装置，而且还有有机组织的电路是可能的。该科学领域已经被称为“神经电子学”。

　　科学家们迄今所实现的仅仅是构筑简单的电路。当然，还没有任何人利用真正的大脑细胞和硅一起执行一项计算任务，就连像把两个数字加起来这样简单的运算也没有。但既然神经细胞能够被以这种方式驾驭，其潜在的用途是巨大的。

　　芝加哥西北大学的科学家们已经设计出一种由七鳃鳗鱼的大脑控制的机器人。当机器人的传感器察觉到光线时，它们就向鱼的神经细胞发出一个信号。神经细胞根据这一信息采取行动，指示机器人朝着光源移动。这一反应通常帮助这种鱼在海洋中沿着正确道路游进。研究人员希望有朝一日，类似的技术能够被用来设计较好的假肢。普朗克生物化学研究所教授彼得·弗罗姆赫兹正在设法生产比较复杂的神经细胞网络，在它们和芯片中的数字电子装置之间形成一个界面。这仅仅是朝着研制比较复杂的装置迈出的第一步。他们正在考察的不仅是利用两个神经细胞，而且还有3个、4个，也许甚至是10个。他们的目标还有用老鼠等哺乳动物的神经细胞来取代蜗牛的神经细胞。

但神经细胞电脑在最近的将来替代您的奔4的可能性极小。最大的问题之一是，大脑细胞要发挥适当作用，需要特殊的照顾。西北大学机器人中的七鳃鳗鱼大脑虽然可能是在一个充满氧气的海水溶器中保鲜，但即使这样，它也只存活了一天。要想无限期地使大脑细胞存活，所需要的生命支持系统毫无疑问会使一台电脑的造价高昂到无人问津的程度。如果这样一台电脑能够制造，它也许能够执行比今天的电脑所能完成的复杂得多的任务；譬如在人群中认出一个面孔，以及人脑所能够轻而易举地解决的其它成像问题。

量子电脑

　　传统电脑看待一切都是黑白分明的。一个开关要么是开，要么是关，所带来的比特信息不是1就是0,相互结合的比特被转移进出和围绕着电路板传输。然而在旋转电子的奇异和极小的世界里，却毫无如此的泾渭分明。这是量子物理学的领域，其中电子的旋转行为完全不同于我们在日常生活中所见到的任何事物。

　　从某种意义上讲，电子是同时在两个方向上旋转。如果一个电子的旋转被用作一个量子比特的信息，则一件异乎寻常的事情发生了。每一个量子比特都同时代表着一个1和一个0,因此一台两个量子比特的电脑就能够同时存储4个数字。而一台两比特的传统电脑仅仅存储一个数字。而且当你把量子比特相加，电脑的能量急剧增加。有了如此强大的处理能力，量子电脑所能够解决的复杂数学问题就比传统电脑的多。后者是进行完一项运算再进行另外一项的。破解密码的量子电脑对于同时查看大量数据，譬如在大型数据库中搜索，或者破解十分复杂的密码来说，可能会特别有用。

　　研制量子电脑的工作现已开始。迄今，最复杂的量子电脑包含7个量子比特，只能处理一位数字。据估计，需要几百个量子比特才能编制有用的程序。慕尼黑科技大学教授斯蒂芬·格拉瑟研究的目标是创造新的分子，并研制一台包含10个以上量子比特的电脑。他们还在研究新的算法（程序），以用于量子计算技术。

　　实际上，寻求量子电脑解决问题的算法是当前研究的一个活跃的领域。斯蒂芬·格拉瑟认为，目前，量子电脑对于家庭和工商用途来说并不特别有用，在今后30年内看到个人量子电脑看来也不大可能。不过，技术上的突破难以预料，事情的发生可能会比我们今天预测的快得多。