新型高效光學(xué)“晶體管”

　　由斯科爾沃（Skoltech）和 IBM 帶領(lǐng)的一支國際研究團(tuán)隊(duì)，剛剛打造了一種極其節(jié)能的“光開關(guān)”（Optical Switch）。得益于對(duì)光子的操縱能力，其致力于取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的電子晶體管。除了省電和無需額外冷卻，其速度還提升到了每秒 1 萬億次，較當(dāng)前頂級(jí)商用晶體管領(lǐng)先 100~1000 倍。

　　在 2021 年 9 月 22 日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志上的一篇文章中，研究一作 Anton Zasedatelev 博士評(píng)論指出：新裝置如此優(yōu)異的節(jié)能特性，得益于它只需要幾個(gè)光子即可切換。

　　該?；旌瞎庾訉W(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Pavlos Lagoudakis 教授補(bǔ)充道：盡管在全光協(xié)處理器中使用這一原理驗(yàn)證的演示還有很長一段路要走，但它們其實(shí)已在斯科爾沃（Skoltech）理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室中順利實(shí)現(xiàn)了僅用一個(gè)光子來完成切換。

　　據(jù)悉，光子是自然界中存在的最小的光粒子，因而除了功耗，在這之外也沒有太大的改進(jìn)空間。大多數(shù)現(xiàn)代電子晶體管都需要數(shù)十倍的能量才能完成切換，而單電子方案又較高效晶體管要慢得多。

　　除了性能問題，可與之競爭的節(jié)能型電子晶體管還需要龐大的冷卻裝置提供支撐，而額外的能源開銷又嚴(yán)重影響到了運(yùn)營成本。作為對(duì)比，新型單光子非線性“光開關(guān)”卻能夠在室溫下輕松運(yùn)行。

　　除了實(shí)現(xiàn)類似晶體管的主要功能，“光開關(guān)”還可作為一個(gè)組件，以光信號(hào)的形式在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)連接和數(shù)據(jù)傳輸。此外也能夠作為一個(gè)放大器，將入射激光器的強(qiáng)度提升多達(dá) 23000 倍。

　　具體說來是，該設(shè)備依靠兩個(gè)激光將其狀態(tài)為“0”或“1”、并在兩者之間進(jìn)行切換。只需相當(dāng)微弱的控制激光束（幾個(gè)光子），即可用于開關(guān)另一束更亮的激光束，因而能源效率也極其顯著。

　　這種轉(zhuǎn)換發(fā)生在微腔內(nèi) —— 一種夾在高反射無機(jī)結(jié)構(gòu)之間的 35nm 薄的有機(jī)半導(dǎo)體聚合物 —— 通過將入射光盡可能長時(shí)間地困在內(nèi)部，以利于其與腔材料的耦合。

　　這種光物質(zhì)耦合構(gòu)成了新設(shè)備的基礎(chǔ)，當(dāng)光子強(qiáng)烈耦合到腔體材料中的“束縛電子-空穴對(duì)”（bound electron-hole pairs）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生所謂的激子（excitons）。

　　作為極化子的短壽命實(shí)體，激子也是用于開關(guān)核心操作的一種準(zhǔn)粒子。當(dāng)泵浦激光器（兩者中較亮的一個(gè)）照射在開關(guān)上時(shí)，就會(huì)在同一位置產(chǎn)生數(shù)千個(gè)相同的準(zhǔn)粒子。

　　通過形成所謂的玻色-愛因斯坦凝聚，從而實(shí)現(xiàn)裝置的“0”和“1”邏輯狀態(tài)編碼。而為了在設(shè)備的兩個(gè)能級(jí)之間進(jìn)行切換，研究團(tuán)隊(duì)還利用了激光脈沖，在泵浦激光脈沖到達(dá)之前不久對(duì)冷凝物進(jìn)行引晶（seeding）。

　　此舉會(huì)刺激泵浦激光器的能級(jí)轉(zhuǎn)換，增加凝聚物中準(zhǔn)粒子的數(shù)量。那里的大量粒子，就對(duì)應(yīng)于設(shè)備的“1”狀態(tài)。

　　為了確保低功耗，研究人員還采取了其它幾項(xiàng)調(diào)整措施。首先，半導(dǎo)體聚合物分子的振動(dòng)有助于有效切換。訣竅是將泵浦態(tài)和凝聚態(tài)之間的能隙，與聚合物中一種特定分子振動(dòng)的能量相匹配。

　　其次，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)法將激光調(diào)諧到了最佳波長，并實(shí)施了一種新的測量方案，可用于實(shí)現(xiàn)單次冷凝檢測。第三，控制激光引晶及其檢測方法，通過抑制設(shè)備“背景噪聲”發(fā)散的方式進(jìn)行匹配。

　　這些措施能夠最大限度地提升設(shè)備的信噪比水平，并防止微腔吸收過多的能量，否則只會(huì)以分子振動(dòng)的形式讓裝置發(fā)熱。最后，為了降低設(shè)備的功耗，研究團(tuán)隊(duì)還有一些工作要做。

　　由于目前主要由保護(hù)層開關(guān)開啟的泵浦激光器主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的潛在途徑就包括了運(yùn)用鈣鈦礦超晶材料，正如研究合著者正在探索的那樣。

　　得益于高強(qiáng)度的光物質(zhì)耦合特性，其已倍證明是優(yōu)秀的候選，反之又能夠以超熒光的形式，引發(fā)極強(qiáng)的集體量子響應(yīng)。

　　從更宏觀的角度來看，研究人員認(rèn)為他們打造的新型“光晶體管”，只不過是過去幾年組裝的不斷增長的全光學(xué)組件工具包的其中一個(gè)。其它組件還包括一套低損耗的硅波導(dǎo)，用于在晶體管之間來回傳輸光信號(hào)。

　　這些組件的發(fā)展，使得我們距離操縱光子（而不是電子）的光學(xué)計(jì)算機(jī)更近了一步，從而帶來極其優(yōu)越的性能和超低的功耗。最后，Skoltech 的這項(xiàng)研究，還得到了俄羅斯科學(xué)基金會(huì)（RSF）的幫助。