陳根：高效光學“晶體管”，計算速度可提升1000倍_風聞

文|陳根

目前，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。可與之競爭的節能型電子晶體管需要龐大的冷卻裝置提供支撐，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”卻能夠在室温下輕鬆運行。

光子是自然界中存在的最小的光粒子，是傳遞電磁相互作用的基本粒子，也是一種規範玻色子，除了功耗之外沒有太大弊端。近日，由斯科爾沃（Skoltech）和 IBM 帶領的一支國際研究團隊，開發了一種十分節能的“光開關”（Optical Switch）。

得益於光子獨特的優勢，**該設備除了省電和無需額外冷卻外，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。**除了實現類似晶體管的主要功能，“光開關”作為組件時，能夠以光信號的形式在設備間實現連接和數據傳輸；當其作為放大器時，入射激光器的強度可提升多達 23000 倍。

具體説來，該設備依靠兩個激光將其狀態為“0”或“1”、並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），即可用於開關另一束更亮的激光束，因而能源效率也極其顯著。

這種轉換髮生在微腔內——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 ，通過將入射光儘可能長時間地困在內部，以利於其與腔材料的耦合。當光子強烈耦合到腔體材料中時，就會產生所謂的激子（excitons）。

作為極化子的短壽命實體，激子也是用於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。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衝，以增加凝聚物中準粒子的數量。

那裏的大量粒子，就對應於設備的“1”狀態。為了確保低功耗，研究人員又將泵浦態和凝聚態之間的能隙，與聚合物中一種特定分子振動的能量相匹配，從而利於半導體聚合物分子的振動和有效切換。

總的來説，該研究帶來的優越性能和超低的功耗，或許能使我們與光學計算機更近一步。