速度比晶体管快1000倍，新型单光子开关登上Nature

选自IEEE Spectrum

作者：CHARLES Q. CHOI

机器之心编译

光处理器的频率会是 THz，比晶体管的 GHz 快好多倍。

一种新型光学开关每秒钟的运行次数达到 1 万亿次，要比现在商用的顶级硅芯片快 100 到 1000 倍，这项研究未来或许可以催生出基于光而不是电的新一代计算机。

在如今人们应用最为广泛的计算机架构中，晶体管通过开和关两种状态表示数字 0 和 1，用光开关代替传统晶体管的光计算机理论上可以比普通计算机运行更快，因为在常规条件下光子传播速度比电子要快很多倍。

在俄罗斯科学家的一项研究中，「光晶体管」是由夹在两个反射镜之间的 35 纳米宽的有机半导体聚合物薄膜组成的，其结果是形成了一个微小的空腔，旨在尽可能长时间地将射入光困在里面，以帮助它与空腔的材料耦合。

该设备的发光源是两个激光器，一个明亮的泵浦激光器和一个非常弱的种子激光器。当泵浦激光照射在微腔上时，它的光子可以与腔材料内的激子（电子与其带正电的对应物、空穴的结合）强烈耦合。这会产生一种被称为激子极化子的短寿命准粒子。

激子 - 极化子簇可以形成所谓的玻色 - 爱因斯坦凝聚体（Bose–Einstein condensate），这是玻色子粒子在通常冷却到接近绝对零度时呈现出的一种气态的、超流性的物质状态，其中每个粒子的行为都像一个原子。从种子光束发出的光可以在两种可测量状态之间切换这种凝聚体，视作 0 或 1。

新研究的重要之处在于，它不仅速度很快，而且平均只需输入一个光子就可以进行切换。相比之下，晶体管通常需要数十倍的能量来进行切换，而且使用单电子进行切换的速度也要慢很多。

该研究的论文《Single-photon nonlinearity at room temperature》已发表在近期的《自然》杂志上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03866-9

「这项研究最令人惊讶的发现是，我们可以用最少的光——单个光子来触发光开关，」该研究作者之一、莫斯科斯科尔科沃科学技术研究院物理学家 Pavlos Lagoudakis 说道。

相比之下，使用单个电子的晶体管通常需要庞大的冷却设备，考虑到功耗的提升效率较低。而俄罗斯人提出的光开关可以在室温条件下工作。

不过 Lagoudakis 提醒道，完全的光计算距离我们还很远。「第一个电子晶体管从实验室进入个人计算机花费了 40 年，在这期间是许多政府机构和公司，以及数以千计研究人员与工程师的大量投入，」他说道。「人们经常无法理解基础物理研究的发现需要多长时间才能进入市场。」

论文作者之一 Pavlos Lagoudakis。

虽然前路漫漫，但 Lagoudakis 还是认为他们的研究是通向「光学加速器」的正确道路，很快就会发展出比传统电子计算机更快的算力。他指出：「光学计算可用于消除现今通常依赖超算大规模并行处理的计算瓶颈。」

除了光加速器和全光计算，Lagoudakis 表示，新型光开关对光的超灵敏性表明它可以用作光探测器，可用于激光雷达扫描仪，应用在无人机、自动驾驶汽车的传感器上。

参考内容：

https://spectrum.ieee.org/optical-switch-1000x-faster-transistors

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