新型高效光學“晶體管”

　　由斯科爾沃（Skoltech）和 IBM 帶領的一支國際研究團隊，剛剛打造了一種極其節(jié)能的“光開關”（Optical Switch）。得益于對光子的操縱能力，其致力于取代傳統(tǒng)計算機上的電子晶體管。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，較當前頂級商用晶體管領先 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光子即可切換。

　　該?；旌瞎庾訉W實驗室負責人 Pavlos Lagoudakis 教授補充道：盡管在全光協處理器中使用這一原理驗證的演示還有很長一段路要走，但它們其實已在斯科爾沃（Skoltech）理工學院的實驗室中順利實現了僅用一個光子來完成切換。

　　據悉，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空間。大多數現代電子晶體管都需要數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重影響到了運營成本。作為對比，新型單光子非線性“光開關”卻能夠在室溫下輕松運行。

　　除了實現類似晶體管的主要功能，“光開關”還可作為一個組件，以光信號的形式在設備間實現連接和數據傳輸。此外也能夠作為一個放大器，將入射激光器的強度提升多達 23000 倍。

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

　　這種轉換發(fā)生在微腔內 —— 一種夾在高反射無機結構之間的 35nm 薄的有機半導體聚合物 —— 通過將入射光盡可能長時間地困在內部，以利于其與腔材料的耦合。

　　這種光物質耦合構成了新設備的基礎，當光子強烈耦合到腔體材料中的“束縛電子-空穴對”（bound electron-hole pairs）時，就會產生所謂的激子（excitons）。

　　作為極化子的短壽命實體，激子也是用于開關核心操作的一種準粒子。當泵浦激光器（兩者中較亮的一個）照射在開關上時，就會在同一位置產生數千個相同的準粒子。

　　通過形成所謂的玻色-愛因斯坦凝聚，從而實現裝置的“0”和“1”邏輯狀態(tài)編碼。而為了在設備的兩個能級之間進行切換，研究團隊還利用了激光脈沖，在泵浦激光脈沖到達之前不久對冷凝物進行引晶（seeding）。

　　此舉會刺激泵浦激光器的能級轉換，增加凝聚物中準粒子的數量。那里的大量粒子，就對應于設備的“1”狀態(tài)。

　　為了確保低功耗，研究人員還采取了其它幾項調整措施。首先，半導體聚合物分子的振動有助于有效切換。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的能量相匹配。

　　其次，研究團隊設法將激光調諧到了最佳波長，并實施了一種新的測量方案，可用于實現單次冷凝檢測。第三，控制激光引晶及其檢測方法，通過抑制設備“背景噪聲”發(fā)散的方式進行匹配。

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

　　由于目前主要由保護層開關開啟的泵浦激光器主導，實現這一目標的潛在途徑就包括了運用鈣鈦礦超晶材料，正如研究合著者正在探索的那樣。

　　得益于高強度的光物質耦合特性，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)極強的集體量子響應。

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

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