“突然，我不再知道计算机是什么了。”这是普林斯顿大学理查德 · 利普顿最近的想法，他不是唯一这么想的人。利普顿和其他人正想法建造与现今计算机速度相比，其速度迅捷无比的超级计算机——这是将推动科学和工业研究进入许多领域的设备——他们已远离了晶体管、电阻器和电线。而且正在新媒介物的王国中寻找计算法的前途，从光学材料到量子电路到DNA，甚至采用新的计算原理——这种远远偏离从齿轮和杠杆的机械时代继承而来的现今计算机的有顺序的逻辑原理。

如同一切进入未知领域必须付出代价一样，这一努力会使建立在微型硅电路上的计算机科学家晕头转向。“这就像一个老笑话，‘两周前我还不会拼写工程师一词，现在我是工程师’。那就是我对生物化学的感觉，芝加哥大学的斯图尔特 · 库尔兹说。他正在研究DNA计算机。

那些在这个新领域工作的人决定坚持下去直到不再困惑，因为他们确信报偿抵得上付出的艰辛。“不可思议，”这是宾夕法尼亚大学的计算机科学家唐纳德 · 比弗对平行性在理论上的地位的描述。平行性即由DNA分子汤构成的计算机可同时完成许多工作的能力。圣母玛利亚大学的詹姆斯 · 默兹用“革命性的”一词形容量子阱计划，这一计划将用小得仅能容纳一个电子的半导体取代晶体管。相同的乐观还存在于其它许多观点中。

这些计划——从DNA计算到光学电路一会在多大程度上改进今天最强大的硬件还只是猜测。猜测范围从100倍直到10¹²倍。不确定性范围这么大，原因是许多新的主角还只是理论或玩具一样的示范，离实际应用还要几年甚至几十年。不管怎样，我们需要更巨大的计算能力是毫无疑问的事。阿贡国家实验室的里克 · 史蒂文斯研究过对更快的计算的需求，他说：“几乎在所有的技术领域，你都能发现因受计算能力限制而产生的问题。”

史蒂文斯说，目前的超级计算机每秒完成几十、几百亿次数学运算。但是需要每秒进行1015次运算的问题并没有减少。这些问题包括全球气候的胚胎发育、基本粒子相互作用的详细的模型和诸如同时最优化一架喷气式飞机的结构机械工艺、传声器、大量生产能力及价格的工程问题。

为了加强常规电脑的计算能力，工程师把其中的电路做小，缩短电流必经路程。但这种努力必会达到极限。圣母大学的默兹这么认为。得克萨斯仪器厂的道格 · 麦兹克在几个关于物理和计算机的工厂中任要职，他对此表示同意说 :“我们受到物理学的限制。”随着蚀刻在硅片上的图像大小降至几十分之一微米，相互联系变得更加困难，消除电阻放热的挑战也在增长。为了冷却，目前最强大的工作站片“像一个旧Chevrolet—样有散热片”。从某种意义上说，微电路技术将不再产生热量。

在此之前，缩小微电路的努力可能陷于另一障碍之中，被量子力学难住。在很小的尺度上，电子表现为波而不是粒子，当电路元件本身缩到这个尺度上时，它们变得很难操纵。电子运动时，波动传播出去，使它们易于穿越电路元件间越来越薄的间隔，导致电路的故障。

但是，通过采用新的计算体系，圣母大学的理论家克雷格 · 莱特和沃尔夫冈 · 波拉德发现，他们可以利用电子的量子特性设计远比目前小的开关和线路，产生较少的热量。他们的体系把单个电子束缚在量子阱中——那么小的半导体，电子像绕原子核运动一样，电子波在一点上被迫占据一个特殊的能量状态，使波变窄，紧紧地束缚着。”莱特和波拉德认识到，如果他们把一对电子约束在一个正方形的对角上，电子对的相互排斥力会使它们钻到模型的另一边。这两种可能的结构可用0或1表示，产生一个简单的数据记录。

研究者发现，由于毗连的大量电子相互排斥，当电子对同向时能量最低，控制元件的一个信号会很快传递到一长串元件，在多米诺效应下，电子对会根据第一个传递数据是0或1排成一行而不产生热量。用不同方法连接这些“线路”可以依次产生一台计算机的逻辑选通电路，其尺度远小于常规电路的数量级。

去年默兹辞去加利福尼亚圣巴巴拉大学量子电学中心主任的职位，搬到圣母大学帮助莱特和波拉德，把他们的想法变成一个工作系统。迄今为止，他说，结果仍需研究后决定。当最初的量子阱系统出现时，他们需对系统冷却至几开，以防电子任意地从一点跳到另一点。如果默兹能得到更小的点的话，会把电子束缚得很紧并可在室温下操作。

那不是利用量子力学加快计算的唯一方案。一些更紧地抓住量子世界奇妙规律的研究者现正建立利用单电子波在不同状态都存在的量子计算机部件。每一状态可代表一种信息，而且可以并行处理。

其他研究者在寻找新的计算能力时，完全抛弃电子，采用一种不同的信息载体：光，光的脉动不仅是自然界最快的信息携带者，同时可以毫无影响地一个接一个传递。这使得任意多的活动可以同时发生在一个光学电路内。

为了制造这样一个光学电路元件，首要的前提是如何制造在集成电路芯片内高效输运光子的光导器。其他人如西北大学的桑塔。胡正在设计在光学电路中产生光脉动的微型超能激光器。例如去年5月在巴尔的摩召开的量子电子学和激光科学会议上，胡和同事们宣布他们已使宽4.5毫米的半导体发射激光。这个环作为谐振腔加强激光。但因为它的圆周只有几个波长那么大，其它波长不能在里面谐振而吸取能量。

这一设计提高了激光器的功效，减小了输出的无用热能——同一元件在一台简单的光学计算机要用上千个必不可少的特色。“这真是一个惊人的进步，”海军研究实验室的光学物理部门主任托尼 · 坎皮罗说。由激光器产生的光子轻易地从环中逃逸至周围的波导中，胡说，在那儿它们可以驱动一个光电路。

这样一个电路也仍需开关使一个光信号能改变另一个，如同改变电信号的晶体管一样。发展这些晶体管类似物已证明存在巨大的困难，因为这样的开关需要能在光影响下改变光学性质的非线性材料，而非线性效应强到足敷信息处理的材料十分罕见。因此不是每个人都赞成使用光波，我不相信纯光学机算机斯坦福大学的尤西希萨 · 雅马摩托说。他认为实际的信息处理是微电子学的事。光以及他自己的以二极管为基础的小型激光器最好只用在计算机加快信息交换上。

但一些研究者看到了开关问题的出路：放弃常规电路而使用单独的一个大激光器，其亮度足以使目前的非线性材料发生强烈的反应，同时进行许多运算。那是在把光束转译成图像或数字信息，这是把它们放在非线性介质，例如气体、水晶、细菌蛋白等中进行混和努力之后的推论。非线性介质允许一束光携带的信息影响材料产生第二束光。实际上，介质平行地完成许多运算，使“全息联系”能以几万倍于现有超级计算机的速度运行。纽约希拉克斯大学测试这种系统的罗伯特 · 伯奇说：“你可以飞快地查完一个数据库。”

全息联系的潜在平行性与DNA计算相比则是微不足道的。在这儿，多至2⁷⁰个DNA分子（其体积有几升）作为单个的处理器工作。实质上，每个分子的核苷酸顺序代表问题的一个可能解答。通过把分子生物学用于这些分子的无性系、集合、子集，这个生物化学计算机的处理器能使体系整理出全部天文数数字的解答，留下正确的顺序读出。

每个生物化学步骤要花几分钟到几小时，不能与超级计算机每一运算只要十亿分之一秒比较，但每一步同时作用在分子的全部防护物上。结果是，在最乐观的方案中，计算速度理论上比任何计算机都快10⁸~10¹²倍。可是，优势只在问题可有效地通过平行计算路线解决时才存在，如打破密码或找出游览几个城市而不重复的路线。DNA计算在它短暂的历史中已有过几次沉浮。

不论所有这些寻找计算机前途的结果如何，阿德曼说：“看上去已到了重新定义计算机是什么的时候了几十年来，他和同事们指出，计算机科学家把改进的机器仅仅看作20世纪30年代逐步进行的机械方法的更快版本——考虑计算问题概念上的困难的固定下来的观念。甚至处于目前形态的平行计算，一台超级计算机有100或1000个处理器协作处理，看上去也不否定这种思想的形式。但理论家们害怕，它最终会在DNA和光子计算方案的稀奇古怪的平行面上破碎。

利普顿说 :“我们重新懂得计算机是什么将需要一段时间。”

[Science，1995年9月8日]