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另類電腦 五花八門

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漣漪也可以用來計算嗎?(維基)

當今無論電腦有多少種用途、多少種品牌、多少種操作系統,都採用了電與磁的方法處理和儲藏信息,然而,至少理論上還存在著一些稀奇古怪的電腦構思……

如今人們的生活已經離不開電腦。不過,無論電腦的用途如何廣闊,無論有多少電腦品牌和操作系統,其原理卻是相同的,也就是採用電脈衝和磁極的翻轉來處理和儲藏信息。

可是你知道嗎,資訊的處理還可以採用完全不同於電與磁的方法。因此至少在理論上,也就存在著多種不同類型的電腦。下面就讓我們來看一看這些稀奇古怪的電腦構思。

光電腦

說到用光纖編碼和傳輸信息,沒有人會覺得有甚麼奇怪。不過要想利用光來處理資訊和從事計算,聽上去就有點天方夜譚。

其實,光電腦是一個很值得研究的構想。籠統的講,以光作為處理信息的介質,可以提高計算速度和信息量;但是同時也有很大的技術障礙,特別是對光進行儲存和操作,這是十分困難的。

近年來關於光電腦的研究一直在進行的,有些進展已經達到了接近實用的階段。美國伊利諾大學的博勞(Paul Braun)率領的研究人員正在實現操作光的夢想。他們利用光晶體研製出三維光導波管。這種技術可以捕獲光線,並將光放慢;甚至可以尖銳的拐角處使光線彎曲,同時又不造成光的流失。

此外,哈佛大學的路金(Mikhail Lukin)和他的同事開發出了晶體管的光學版。

大家知道晶體管是當今所有電腦動力所必需的。路金等人創造出一種使光子從一種光信號轉到另一信號的開關機制。這就為用光來取代電磁作為電腦動力提供了核心技術基礎。

量子電腦

我們今天面對的資訊絕大多數都是電子資訊。電腦程式的算法也是建立在電子資訊的特點之上的。電腦運算採用的是二進制,電信號以「0」和「1」兩種狀態存在。而量子電腦卻可以打破這種規則。

因為根據量子力學的原理,基本的量子單位(qubits)可以同時以「0」和「1」的狀態存在。在這一點上,量子資訊完全不同於傳統的電子資訊。所以有人說量子電腦顛覆了古典計算的基本規則。

那麼這樣有甚麼好處呢?舉例子說,在實際計算時,量子資訊的這項功能可以完成多項平行計算。當量子電腦增加量子單位的數目時,其運算能力將呈指數增長。

這樣一來,一些採用目前的電子資訊處理途徑無法解決的運算就有辦法了。比如說,對超大的數字進行快速分解,從而破解密碼。

然而就目前而言,量子電腦只具備很少量的量子數元,這些量子數元通常是採用量子點、核磁共振、金屬離子或是糾纏的光子對來實現。

DNA電腦

世上最完美的電腦到頭來還是自然的造化:它的名字叫做DNA(脫氧核糖核酸),也就是構成生命體遺傳物質的基因。在生命體中,DNA承擔著處理信息,執行編碼在基因組裏面的「生命程式」。同時,DNA 還與蛋白質相互協調作用,以維持生命現象的存在。

利用DNA進行計算不僅僅是一種概念,早有人把它付諸現實。

DNA模型。(法新社)

 

南加大的阿德而曼(Leonard Adleman)是首位選用該方式處理計算問題的人。一九九四年,他使用DNA電腦解決了一項著名的數學難題:「七點漢彌爾頓路徑問題」(7-point Hamiltonian Path problem)。

從那以後,DNA也被用來創造邏輯門(logic gates)以及一種永遠不敗的數字遊戲:tic-tac-toe。

那麼DNA是如何計算的呢?這可是專業問題。基本原理是以DNA鏈來識別相對較短的輸入鏈,進而製造出不同的輸出序列。「計算」結果可以通過激發螢光蛋白質來實現。

近來,DNA電腦的推崇者開始研究將自己的創造導入人體等生物系統中。這似乎不難理解,因為生命體那是DNA最適合的,也是傳統電腦最無能為力的領域。

可逆式電腦

早有人提出我們應該可以像回收垃圾一般回收我們的數元(bits)。

長期以來,電腦硬件公司一直在努力降低電腦的耗電量。為實現這一目標當然可以有多種方法。其中一種獨特的方式是採用可逆式的晶片。

一般而言,每一次電腦運算,只要有一定的資訊喪失,同時也必然會浪費掉相應的能量。而可逆式電腦可以用來恢復和再利用這部份能量。

舉個例子,美國佛羅里達大學福蘭克(Michael Frank)已經發展出一種方法可以使邏輯門反向運行。具體來講,電腦的每一步運算都涉及到使輸入信號進入邏輯門,然後產生輸出信號。通常驅動這些信息流動的能量在過程中被浪費掉了。而福蘭克邏輯門可以在每步運算後進行反向運算,從而使得輸出信號的能量回到通常產生新輸入信號的循環起點,從而解決了能量流失的問題。

這聽起來很有吸引力,但實際上也有許多美中不足。據福蘭克說,這類電腦最主要的缺陷是,隨著電腦的計算能力的提高,晶片的耗損也會越快。

台球(撞球)電腦

從微觀上講,當今的電腦運算過程包括電子在回路內從一個分子運動到其他分子的連鎖反應。事實上,其他類型的連鎖反應也可以被用來計算,比如多米諾牌遊戲。

已經有人通過巧妙的排列骨牌,成功建立了邏輯門。還有像半加算器等基礎運算回路,也可以通過骨牌排列來實現。

但是要通過這種方法完成傳統電腦微處理器的強大功能,則需要巨大的空間。除非多米諾牌變得非常小。

當然,這樣的骨牌和撞球遊戲也可以在微觀上實現。IBM的研究人員曾經試驗過一種採用一系列原子級連撞擊的邏輯回路。

但是,這種途徑只能用一次,但好處是比目前最小的晶體管還要小得太多。

神經元電腦

神經元是人腦的基本單位。在開發新型電腦的過程中,科學家們也在試圖借鑒人腦的功能。因此,神經元很自然的成了利用的對象。

有不少研究人員希望,通過利用和模擬神經元的功能,可以讓他們在開發更先進電腦的競爭中先人一步。位於芝加哥的西北大學的慕沙伊瓦第(Ferdinando Mussa-Ivaldi)就曾利用原始脊椎動物八目鰻的少量腦細胞來控制機器人。

慕沙伊瓦第的試驗是這樣設計的:信息從機器人的光感應器輸出,然後傳遞到神經元。神經元反過來根據不同的信號來控制機器人的行動。

八目鰻體內有部份腦細胞專門負責自身的定位。研究發現當這些細胞與機器人相連後,可以控制機器人隨光源移動。

這樣的研究很讓人興奮,類似的研究還有不少例子。英國紐卡斯爾大學的神經生物學家琳德(Claire Rind)就曾研究蝗蟲在「觀看」電影《星球大戰》中飛船調度的場面時的神經活動,從而開發精確的障礙物迴避系統。

最近,美國防禦研究機構嘗試在蛾的腦中放了電極裝置,進而開發出可以遙控的機械電子蛾。

水-磁電腦

如果你知道如何操作的話,每一杯水中就包含著一部電腦。

英國約克大學的史蒂柏尼(Susan Stepney)與其同事使用強力磁場(核磁共振)控制和觀察分子間的互動模式。這種方式可以提供三維訊息,也可以在天然的動態環境下研究分子間的相互作用。

如果試驗成功,用針頭大小的一點水就可以模擬複雜的事物,如大氣的運動。

目前這項研究仍然處在初級階段,科學家們首要的工作還只是對原理的驗證。水-磁電腦的激發還不得不通過傳統型的電腦來完成。

半流體電腦

英文「software」是指軟件,「hardware」是硬件,那麼「gloopware」是甚麼?原來這裏指的是所謂「半流體」電腦的核心部件。「半流體」電腦堪稱是對傳統電腦硬件概念的徹底「背叛」。

研究人員運用一種被稱作是「Belousov-Zhabotinsky反應」的脈衝循環化學反應產生干擾波。英國西英格蘭大學的阿達瑪茨基(Andrew Adamatzky)發現,在化學黏性物質中傳播的離子干擾波的行為,很像電腦的基本元素:邏輯門。

阿達瑪茨基利用試驗顯示,化學邏輯門可以指揮機械手攪動化學溶液;這種攪動推動了進一步的化學反應,反過來又指揮著機械手的攪動。

不過仔細想來,這裏面似乎有一個悖論:究竟是大腦去指揮手如何動,還是手指揮大腦如何想?

其實,阿達瑪茨基的目標是將這些化學電腦與電驅動的凝膠「皮膚」整合,製作一個完整的半流體電腦指揮的機器人。

黴菌電腦

如今甚麼東西都可以變成「電腦」,就連像黏黴菌這樣的原始有機體都不例外,甚至還能用來解決令傳統電腦都束手無策的難題。

日本名古屋生化研究所的中垣(Toshiyuki Nakagaki)發現,黏黴菌的群體可以以最短路徑穿過迷宮。

在他的實驗中,他讓行動如一個單一有機體的變形蟲式的細胞群去探試迷宮內所有可能的路徑。

但是當一串細胞發現前往迷宮出口的食物最短的路徑後,其他的細胞就停止探索了。這黏黴菌就從迷宮的死路退出跟著走捷徑到食物那裏去。

對電腦科學家來說這是個很有趣的實驗,因為迷宮類似旅行售貨員的問題,要求在不同地點的空間中尋找最短的路徑。這種問題可是個棘手的難題,因為只要加入更多地點,就馬上使難度大增。

水波電腦

或許最不像電腦的是水箱內的漣漪。然而最近科學家發現,水波也可以作電腦。

蘇塞克斯大學的費南度(Chrisantha Fernando)與索加卡 (Sampsa Sojakka)利用漣漪容器與高架的照相機以波浪模式製作出一種稱為「獨一無二的OR門」或是XOR門。

所謂「知覺粒子」,是一種人工神經網絡,可以模擬邏輯門的某些型態。但這還不是XOR門。 只有將XOR門的行為編碼到水波才使得「知覺粒子」可以學習該門的運作方式。 ◇

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