光子計算機 （亦稱光腦 ）是指以光子 替代電子 的先進計算機 。數十年來的研究指出，光子可以比傳統電腦中使用的電子有更高的頻寬 （例如光纖 ）。
大多數研究項目都專注於用光學等效模組替換當前的計算機組件，目的是要得到可以處理二進制數據 計算機 系統。這種方法似乎為商業光學計算提供了最佳的短期前景，因為光學組件可以集成到傳統計算機中，形成光電混合的系統。然而，光電 設備因為將電能轉換為光能再轉回電能，會損失30％的能量。此轉換也會減慢消息的傳輸速度。全光學計算機不需要光學-電學-光學（OEO）轉換，因此減少了對電力的需求[ 1]
有些應用的設備，像是合成孔徑雷達 （SAR）和光學相關器 [ 2] [ 3]
現代電子計算機的基本構件是晶體管 。為了用光學元件取代電子元件，需要一個相當的光學晶體管 。這需要使用具有非線性折射率 的材料來實現。特別是，存在一些材料[ 4] [ 5] [ 6] 邏輯門 ，[ 6] 中央處理器 （CPU）的高級部件。這些將是非線性光學晶體，用於操縱光束以控制其他光束。
像任何計算系統一樣，光學計算系統需要三樣東西才能良好運作。
光學處理器
光學數據傳輸，例如光纖電纜
光存儲 [ 7] 代替電氣元件需要將數據格式從光子轉換為電子，這將使系統變得更慢。
對於光學計算機的未來能力，研究人員之間存在一些分歧；它們是否可能在速度、功耗、成本和尺寸方面與基於半導體的電子計算機競爭，是一個開放的問題。批評者指出[ 8] 扇出 和輸入輸出隔離"，所有這些目前都由電子晶體管以低成本、低功率和高速度提供。為了使光邏輯在少數利基應用之外具有競爭力，需要在非線性光器件技術方面取得重大突破，或者也許需要改變計算本身的性質。 [ 9]
光計算的一個重大挑戰是，計算是一個非線性 過程，其中多個信號必須相互作用。光是一種電磁波 ，只有在材料中存在電子的情況下才能與另一種電磁波互動，[ 10] [來源請求]
另一個誤解[誰說的？] 漂移速度 快得多，而且頻率以THz 為單位，所以光學晶體管應該能夠實現極高的頻率。然而，任何電磁波都必須遵守轉換極限 ，因此，光晶體管對信號的響應速度仍受其光譜帶寬 的限制。在光纖通信 中，諸如色散 等實際限制往往將信道 的帶寬限制在10幾兆赫，只比許多硅晶體管略好。因此，要想獲得比電子晶體管更快的運行速度，就需要採用實用的方法，將超短脈衝 沿着高色散波導傳輸。
Realization of a photonic controlled-NOT gate for use in quantum computing 光子邏輯是在邏輯門 中使用光子（光 ）（NOT、AND、OR、NAND、NOR、XOR、XNOR）。當兩個或更多的信號結合在一起時，使用非線性光學效應 獲得開關。[ 6]
諧振器 在光子邏輯中特別有用，因為它們允許從建設性干涉 中積累能量，從而增強光學非線性效應。
其他已被研究的方法包括在分子水平 的光子邏輯，使用光致發光 化學品。在一次演示中，Witlicki等人利用分子和SERS 進行了邏輯運算。[ 11]
其基本思想是延遲光（或任何其他信號）以進行有用的計算。[ 12] NP完全問題 ，因為這些問題對傳統計算機來說是很困難的。
在這種方法中實際使用了光的2個基本特性。
光可以通過一定長度的光纖而被延遲。
光可以被分割成多條（子）光線。這一特性也是至關重要的，因為我們可以在同一時間內評估多個解決方案。 當解決一個有時間延遲的問題時，必須遵循以下步驟。
第一步是創建一個由光纜和分割器組成的圖狀結構。每個圖都有一個起始節點和一個目的節點。
光線從起始節點進入並穿越圖形，直到到達目的地。在通過弧線時，它會被延遲，並在節點內部被分割。
光線在通過弧線或節點時被標記，這樣我們就可以在目的地節點輕鬆地識別這一事實。
在目的地節點，我們將等待在某一（些）特定時刻到達的信號（信號強度的波動）。如果在那一刻沒有信號到達，這意味着我們的問題沒有解決方案。否則，問題就有了解決方案。波動可以用一個光電探測器 和一個示波器 來讀取。 第一個以這種方式攻擊的問題是哈密頓路徑問題 。[ 12]
最簡單的是子集和問題 。[ 13]
光線將進入開始節點。它將被分成2條強度較小的（子）光線。這兩條光線將在a1和0的時刻到達第二個節點。
將在0、a1、a2和a1+a2的時刻到達第三個節點。這些代表了集合{a1, a2}的所有子集。我們期望信號的強度在不超過4個不同時刻出現波動。在目的節點，我們期望波動不超過16個不同的時刻（這是給定的所有子集）。如果我們在目標時刻B有波動，就意味着我們有問題的解決方案，否則就沒有元素之和等於B的子集。對於實際執行，我們不可能有零長度的電纜，因此所有的電纜都增加了一個小的（對所有的固定）值k。在這種情況下，預計解決方案在時刻B+n*k。
基於波長的計算[ 14] 3-SAT 問題，該問題有n個變量，m個條款，每個條款的變量不超過3個。每一個波長，包含在一條光線中，被認為是對n個變量的可能賦值。[ 15]
這種方法使用施樂機和透明片進行計算。[ 16] k-SAT問題 有n個變量，m個子句，每個子句最多有k個變量，已分3步解決：[ 17]
首先通過進行n次施膠拷貝，產生了n個變量的所有2^n次可能的分配。
使用最多 2k 份真值表，每個條款同時在真值表的每一行進行評估。
通過對所有m個子句的重疊透明片進行一次拷貝操作，就可以得到解。 Shaked等人 （2007）已經解決了旅行推銷員問題 [ 18]
許多計算，特別是科學應用，需要經常使用二維離散傅里葉變換 （DFT）--例如，在解決描述波的傳播或熱的傳遞的微分方程時。儘管現代GPU技術通常能夠高速計算大型二維DFT，但已經開發出的技術可以通過利用自然的鏡頭的傅里葉變換特性 來進行連續傅里葉變換。輸入是通過一個液晶 空間光調製器 進行編碼的。空間光調製器 對輸入進行編碼，並使用傳統的CMOS或CCD圖像傳感器測量結果。由於光學傳播固有的高度互連性質，這種光學架構可以提供卓越的計算複雜性擴展，並已被用於解決二維熱方程。[ 19]
設計靈感來自於理論易辛模型 的物理計算機被稱為Ising機。[ 20] [ 21] [ 22]
山本義久 在斯坦福大學 的實驗室率先使用光子建造伊辛機。最初，山本和他的同事使用激光器、鏡子和其他在光學台 上常見的光學元件建造了一台伊辛機。[ 20] [ 21]
後來，惠普實驗室 的一個團隊開發了光子集成電路 設計工具，並利用這些工具在單個芯片上建立了一台伊辛機，在該單個芯片上集成了1052個光學元件。[ 20]
Rajan, Renju; Babu, Padmanabhan Ramesh; Senthilnathan, Krishnamoorthy. 全光逻辑门显示出光学计算的前景 . Photonics. Photonics Spectra. [2018-04-08 ] . （原始內容存檔 於2023-02-10）. Witlicki, Edward H.; Johnsen, Carsten; Hansen, Stinne W.; Silverstein, Daniel W.; Bottomley, Vincent J.; Jeppesen, Jan O.; Wong, Eric W.; Jensen, Lasse; Flood, Amar H. 使用表面增强拉曼散射光的分子逻辑门 . J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (19): 7288–91. PMID 21510609 doi:10.1021/ja200992x Cartlidge, Edwin. 新型伊辛机计算机被带去转了一圈 . Physics World. 2016年10月31日 [2019年7月16日] . （原始內容存檔 於2018年2月23日）.
Feitelson, Dror G. Optical Computing: A Survey for Computer Scientists . Cambridge, Massachusetts: MIT Press. 1988. ISBN 978-0-262-06112-4 McAulay, Alastair D. Optical Computer Architectures: The Application of Optical Concepts to Next Generation Computers . New York, NY: John Wiley & Sons. 1991. ISBN 978-0-471-63242-9 Ibrahim TA; Amarnath K; Kuo LC; Grover R; Van V; Ho PT. Photonic logic NOR gate based on two symmetric microring resonators. Opt Lett. 2004, 29 (23): 2779–81. Bibcode:2004OptL...29.2779I PMID 15605503 doi:10.1364/OL.29.002779 Biancardo M; Bignozzi C; Doyle H; Redmond G. A potential and ion switched molecular photonic logic gate. Chem. Commun. 2005, 0 (31): 3918–20. PMID 16075071 doi:10.1039/B507021J Jahns, J.; Lee, S.H. (編). Optical Computing Hardware: Optical Computing . Elsevier Science. 1993 [2020-12-05 ] . ISBN 978-1-4832-1844-1存檔 於2017-01-18）. Barros S; Guan S; Alukaidey T. An MPP reconfigurable architecture using free-space optical interconnects and Petri net configuring. Journal of System Architecture. 1997, 43 (6–7): 391–402. doi:10.1016/S1383-7621(96)00053-7 D. Goswami , "Optical Computing", Resonance, June 2003; ibid July 2003. Web Archive of www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html Main T; Feuerstein RJ; Jordan HF; Heuring VP; Feehrer J; Love CE. Implementation of a general-purpose stored-program digital optical computer. Applied Optics. 1994, 33 (8): 1619–28. Bibcode:1994ApOpt..33.1619M PMID 20862187 doi:10.1364/AO.33.001619 Guan, T.S.; Barros, S.P.V. Reconfigurable Multi-Behavioural Architecture using Free-Space Optical Communication. Proceedings of the IEEE International Workshop on Massively Parallel Processing using Optical Interconnections. IEEE. April 1994: 293–305. ISBN 978-0-8186-5832-7doi:10.1109/MPPOI.1994.336615 Guan, T.S.; Barros, S.P.V. Parallel Processor Communications through Free-Space Optics. TENCON '94. IEEE Region 10's Ninth Annual International Conference. Theme: Frontiers of Computer Technology 2 . IEEE. August 1994: 677–681. ISBN 978-0-7803-1862-5doi:10.1109/TENCON.1994.369219 Guha A.; Ramnarayan R.; Derstine M. Architectural issues in designing symbolic processors in optics. Proceedings of the 14th annual international symposium on Computer architecture (ISCA '87). ACM. 1987: 145–151. ISBN 978-0-8186-0776-9doi:10.1145/30350.30367 K.-H. Brenner, Alan Huang: "Logic and architectures for digital optical computers (A)", J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
Brenner, K.-H. A programmable optical processor based on symbolic substitution. Appl. Opt. 1988, 27 (9): 1687–91. Bibcode:1988ApOpt..27.1687B PMID 20531637 doi:10.1364/AO.27.001687 Streibl N.; Brenner K.-H.; Huang A.; Jahns J.; Jewell J.L.; Lohmann A.W.; Miller D.A.B.; Murdocca M.J.; Prise M.E.; Sizer II T. Digital Optics. Proc. IEEE. 1989, 77 (12): 1954–69. doi:10.1109/5.48834 NASA scientists working to improve optical computing technology （頁面存檔備份 ，存於網際網路檔案館 ）Optical solutions for NP-complete problems （頁面存檔備份 ，存於網際網路檔案館 ）Dolev, S.; Haist, T.; Oltean, M. Optical SuperComputing: First International Workshop, OSC 2008, Vienna, Austria, August 26, 2008, Proceedings . Springer. 2008 [2020-12-05 ] . ISBN 978-3-540-85672-6存檔 於2018-06-25）. Dolev, S.; Oltean, M. Optical Supercomputing: Second International Workshop, OSC 2009, Bertinoro, Italy, November 18–20, 2009, Proceedings . Springer. 2009 [2020-12-05 ] . ISBN 978-3-642-10441-1存檔 於2017-01-18）. Dolev, S.; Oltean, M. Optical Supercomputing: Third International Workshop, OSC 2010, Bertinoro, Italy, November 17–19, 2010, Revised Selected Papers . Springer. 2011 [2020-12-05 ] . ISBN 978-3-642-22493-5存檔 於2017-01-18）. Dolev, S.; Oltean, M. Optical Supercomputing: 4th International Workshop, OSC 2012, in Memory of H. John Caulfield, Bertinoro, Italy, July 19–21, 2012. Revised Selected Papers . Springer. 2013 [2020-12-05 ] . ISBN 978-3-642-38250-5存檔 於2017-01-18）. Speed-of-light computing comes a step closer New Scientist Caulfield H.; Dolev S. Why future supercomputing requires optics. Nature Photonics. 2010, 4 (5): 261–263. doi:10.1038/nphoton.2010.94 Cohen E.; Dolev S.; Rosenblit M. All-optical design for inherently energy-conserving reversible gates and circuits . Nature Communications. 2016, 7 : 11424. Bibcode:2016NatCo...711424C PMC 4853429 PMID 27113510 doi:10.1038/ncomms11424 
。
