每秒运算1万亿次！新型光学“晶体管”面世，可将计算速度提高1000倍

由Skoltech和IBM领导的一个国际研究小组，发明了一种极其节能的光“开关”，它可以在新一代计算机中取代晶体管，而不是操纵光子。

除了直接省电，这种开关不需要冷却，而且速度非常快——每秒运算1万亿次，比当今顶尖的商用晶体管快100到1000倍。这项研究发表在周三的《自然》（Nature）杂志上。

该研究的第一作者Anton Zasedatelev博士评论道：“这种新型设备之所以如此节能，是因为它只需要几个光子就能转换。”

“事实上，在我们的Skoltech实验室中，我们实现了在室温下只用一个光子进行开关。也就是说，在原理证明演示应用于全光学协处理器之前，还有很长的路要走。”Skoltech混合光子实验室负责人Pavlos Lagoudakis教授补充道。

由于光子是自然界中最小的光粒子，就功耗而言，除此之外真的没有多少改进的空间了。大多数现代电晶体的转换，要耗费数十倍的能量，而使用单个电子来达到同等效率的晶体管则要慢得多。

除了性能问题，与之竞争的节电型电子晶体管，往往还需要体积庞大的冷却设备，这反过来又会消耗电力，并计入运营成本。新的开关方便地在室温下工作，因此避免了所有这些问题。

除了其主要的类似晶体管的功能外，该开关还可以作为一个组件，以光信号的形式在设备之间传输数据，从而将设备连接起来。它还可以作为放大器，将入射激光束的强度提高到23000倍。

该设备依靠两个激光器，将其状态设置为“0”或“1”，并在它们之间进行切换。一个非常弱的控制激光束，用来打开或关闭另一个更亮的激光束。它只需要控制光束中的几个光子，因此该设备的效率很高。

开关发生在一个微腔内——一个夹在高度反射的无机结构之间的35纳米薄有机半导体聚合物。微腔的构造，使入射光尽可能长时间地困在里面，以有利于与腔体材料的耦合。

这种光与物质的耦合，形成了新装置的基础。当光子在空腔材料中强烈耦合以束缚电子-空穴对(也就是激子)时，就会产生名为激子极化子（exciton-polaritons）的短寿命实体，激子是一种准粒子，处于开关操作的核心。

当泵浦激光器(两个激光器中较亮的一个)照射到开关上时，就会在同一位置产生数千个相同的准粒子，形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚态，对器件的“0”和“1”逻辑状态进行编码。

为了在设备的两个层面之间切换，该团队在泵浦激光脉冲到达前不久使用了一个控制激光脉冲播种凝析液。结果，它刺激从泵浦激光的能量转换，提高准粒子的数量在凝聚态。那里的大量粒子对应着设备的“1”状态。

研究人员进行了几项微调，以确保低功耗：首先，有效的开关借助于半导体聚合物分子的振动。诀窍是将抽运态和凝析态之间的能量差距，与聚合物中特定分子振动的能量相匹配。

其次，该团队设法找到了调谐激光的最佳波长，并实施了一种新的测量方案，使单次发射的冷凝探测成为可能。第三，控制激光播撒冷凝物及其检测方案以抑制设备“背景”发射噪声的方式匹配。

这些措施，最大限度地提高了该设备的信噪比，并防止微腔吸收多余的能量，而微腔只能通过分子振动将其加热。

“我们仍有一些工作要做，以降低我们的设备的总功耗，目前主要由泵浦激光器保持开关。实现这一目标的途径可能是钙钛矿超晶体材料，就像我们正在与合作者一起探索的那些材料。他们已经证明了他们的优秀候选者，因为他们的强光物质耦合，进而导致了超荧光形式的强大集体量子响应。”该团队评论道。

从更宏观的角度来看，研究人员认为他们的新开关不过是他们在过去几年里组装的越来越多的全光学元件中的一个。除此之外，它还包括一个用于在晶体管之间来回传输光信号的低损耗硅波导。这些组件的发展使我们更加接近光学计算机，这种计算机将操纵光子而不是电子，从而获得极大的性能和更低的功耗。