最近，由 Skoltech 和 IBM 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種極其節(jié)能的光開關(guān)，它可以取代操縱光子而不是電子的新一代計(jì)算機(jī)中的電子晶體管。除了直接省電之外，該開關(guān)不需要冷卻，而且速度非常快：每秒 1 萬(wàn)億次操作，比當(dāng)今一流的商用晶體管快 100 到 1,000 倍。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然》雜志上。
該研究的第一作者 Anton Zasedatelev 博士評(píng)論說(shuō)：“新設(shè)備如此節(jié)能的原因在于它只需要幾個(gè)光子即可切換。” “事實(shí)上，在我們的 Skoltech 實(shí)驗(yàn)室中，我們?cè)谑覝叵聝H用一個(gè)光子就實(shí)現(xiàn)了切換！也就是說(shuō)，在全光協(xié)處理器中使用這種原理驗(yàn)證演示還有很長(zhǎng)的路要走，”Skoltech 混合光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Pavlos Lagoudakis 教授補(bǔ)充道。
由于光子是自然界中存在的最小的光粒子，因此就功耗而言，除此之外確實(shí)沒(méi)有太大的改進(jìn)空間。大多數(shù)現(xiàn)代電子晶體管需要數(shù)十倍的能量來(lái)切換，而使用單電子實(shí)現(xiàn)可比效率的晶體管則要慢得多。
除了性能問(wèn)題之外，競(jìng)爭(zhēng)性節(jié)能電子晶體管還往往需要龐大的冷卻設(shè)備，這反過(guò)來(lái)又會(huì)消耗功率并影響運(yùn)營(yíng)成本。新開關(guān)可在室溫下方便地工作，因此可以避免所有這些問(wèn)題。
除了其主要的類似晶體管的功能外，該開關(guān)還可以作為一個(gè)組件，通過(guò)以光信號(hào)的形式在設(shè)備之間穿梭數(shù)據(jù)來(lái)連接設(shè)備。它還可以用作放大器，將入射激光束的強(qiáng)度提高多達(dá) 23,000 倍。
從眼里上看，該設(shè)備依靠?jī)蓚€(gè)激光將其狀態(tài)設(shè)置為“0”或“1”并在它們之間切換。非常微弱的控制激光束用于打開或關(guān)閉另一束更亮的激光束。它只需要控制光束中的幾個(gè)光子，因此該設(shè)備的效率很高。
轉(zhuǎn)換發(fā)生在微腔內(nèi)--一種夾在高反射無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)之間的 35 納米薄有機(jī)半導(dǎo)體聚合物。微腔的構(gòu)建方式可以將入射光盡可能長(zhǎng)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)烈耦合到腔材料中的束縛電子-空穴對(duì)（即激子）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生稱為激子-極化子的短壽命實(shí)體，它們是開關(guān)操作核心的一種準(zhǔn)粒子。
當(dāng)pump laser--兩者中較亮的一個(gè)--照射在開關(guān)上時(shí)，這會(huì)在同一位置產(chǎn)生數(shù)千個(gè)相同的準(zhǔn)粒子，形成所謂的玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate），它編碼了“0”和“1”的邏輯狀態(tài)裝置。
為了在設(shè)備的兩個(gè)級(jí)別之間切換，該團(tuán)隊(duì)使用控制激光脈沖在pump laser脈沖到達(dá)之前不久對(duì)冷凝物進(jìn)行 seeding 。結(jié)果，它刺激了pump laser的能量轉(zhuǎn)換，增加了凝聚物中準(zhǔn)粒子的數(shù)量。那里的大量粒子對(duì)應(yīng)于設(shè)備的“1”狀態(tài)。
研究人員使用了幾項(xiàng)調(diào)整來(lái)確保低功耗：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pumped態(tài)和condensate 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，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法找到了將激光調(diào)諧到的最佳波長(zhǎng)，并實(shí)施了一種新的測(cè)量方案，可實(shí)現(xiàn)單次冷凝檢測(cè)；第三，控制laser seeding the condensate及其檢測(cè)方案以抑制設(shè)備“背景”發(fā)射噪聲的方式進(jìn)行匹配。這些措施最大限度地提高了設(shè)備的信噪比水平，并防止微腔吸收過(guò)多的能量，這只會(huì)通過(guò)分子振動(dòng)來(lái)加熱它。
“我們還有一些工作要做，以降低我們?cè)O(shè)備的整體功耗，目前主要由保持開關(guān)開啟的pump laser主導(dǎo)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑可能是鈣鈦礦超晶（ perovskite supercrystal）材料，就像我們與合作者正在探索的那樣。由于它們強(qiáng)的光物質(zhì)耦合，它們已被證明是優(yōu)秀的候選者，這反過(guò)來(lái)又以超熒光的形式導(dǎo)致強(qiáng)大的集體量子響應(yīng)，”該團(tuán)隊(duì)評(píng)論道。
從更大的角度來(lái)看，研究人員認(rèn)為他們的新開關(guān)只是他們過(guò)去幾年組裝的不斷增長(zhǎng)的全光學(xué)組件工具包中的一個(gè)。其中，它包括一個(gè)低損耗硅波導(dǎo)，用于在晶體管之間來(lái)回傳輸光信號(hào)。這些組件的發(fā)展使我們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(lái)了極其優(yōu)越的性能和更低的功耗。Skoltech 的研究得到了俄羅斯科學(xué)基金會(huì) （RSF） 的支持。除了 Skoltech 和 IBM，該研究還邀請(qǐng)了杜霍夫自動(dòng)化研究所、MIPT、RAS 光譜研究所、NRU 高等經(jīng)濟(jì)學(xué)院、伍珀塔爾大學(xué)和南安普敦大學(xué)的研究人員。
