告別傳統晶體管？新型光開關提供高達 1000 倍的性能提升

IBM與俄羅斯研究人員合作開發了光學開關，其運行速度提高了 1000 倍，且性能大大優于傳統的基于晶體管的開關。這項發表在《自然》雜志上的研究是邁向基于光的計算未來的必要步驟之一，也是實現更快、更節能的計算系統的有力選手之一。

原理很容易理解：光速很快。實際上，它是最快的媒體。因此，這些光開關利用光而不是電作為其操作輸入和輸出。雖然傳統的電子晶體管通過在足夠強的電壓迫使這些二進制狀態之間“切換”來表示二進制值 - 1 或 0，但研究人員描述的光開關可以以最小和最有效的單位切換狀態光：僅僅是光子。這導致每次開關的能效比電子晶體管高幾十倍。

“最令人驚訝的發現是，我們可以用最少的光，一個光子來觸發光開關！”該研究的資深作者 、莫斯科斯科爾科沃科學技術研究所的物理學家 Pavlos Lagoudakis驕傲的表示。這自然會對晶體管系統的能源效率和工作溫度產生影響。在需要更快的速度時，或者在系統部署存在冷卻、能量或電子噪聲限制時，光學系統都可以取代基于晶體管的系統。如果最后一句話只是讓您認為光開關因此對量子計算機非常有用，那么您是對的。事實上，預計量子計算解決方案將需要并行開發光學信號設備，以減少外部干擾并允許可擴展量子系統之間更快、更穩定的通信。因此，這種發展不僅對傳統的、基于圖靈的計算系統很重要，對于未來的量子計算系統也意義重大。

但是開關實際上是如何工作的呢？激光+鏡子。科學家們開發了一種 35 納米寬的有機半導體聚合物薄膜，然后將其夾在兩個高反射鏡之間（研究人員稱之為微腔）。鏡子充當擊中聚合物薄膜的兩個激光的籠子，將它們的光保持在夾層內部 - 通過兩個鏡子之間的數百萬（萬億？）次交感反射盡可能多地擊中聚合物表面，從而覆蓋聚合物的表面。兩片鏡面材料的添加被動地增加了激光的覆蓋范圍，與引導激光穿過整個表面相比，功耗低得多。

光開關工作所需的兩個激光器采用明亮的泵浦激光器和弱的種子激光器的形式。泵浦激光器本質上與微腔相互作用，其高功率光子與激子（一種奇特的電子形式）耦合以形成激子極化子簇。這些團簇本質上是粒子的集合，表現出奇特的行為，因為它們可以并且確實充當單個原子。當它們表現出這種行為時，它們被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。這就是種子激光進入方程的地方：它本質上與這些玻色-愛因斯坦凝聚體相互作用，允許它們在兩個可測量狀態之間切換，這些狀態充當經典計算中的二進制 1 和 0。

Pavlo Lagoudakis 確實表示，雖然他們的結果非常積極，但實際的基于光的開關和計算系統離主流部署還很遠。

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