據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)暨技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人員與同事合作，研發(fā)出一種光開關(guān)，能夠?qū)⒐庖?0億分之一秒的速度從一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片傳輸至另一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片，比任何其他類似設(shè)備都快。該緊湊型開關(guān)是首個(gè)能夠在足夠低的電壓下運(yùn)行的光開關(guān)，因而可集成至低成本的硅芯片上，并能以非常低的信號(hào)損耗重新改變光線的方向。

（圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)暨技術(shù)研究院）

該開關(guān)具有創(chuàng)紀(jì)錄的性能，也是打造利用光線而不是電力處理信息的計(jì)算機(jī)的重要一步。依靠光線粒子 – 光子在計(jì)算機(jī)中傳輸數(shù)據(jù)有幾大優(yōu)勢(shì)。首先，光子的速度比電子快，而且不會(huì)因?yàn)樾枰訜嵊?jì)算機(jī)組件而浪費(fèi)能量，而管理廢熱正是提升計(jì)算機(jī)性能的一大阻礙。數(shù)十年來(lái)，光纖一直利用光信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸信息，不過，光纖會(huì)占據(jù)太多空間，因而無(wú)法用于計(jì)算機(jī)芯片傳輸數(shù)據(jù)。

新型開關(guān)結(jié)合了納米大小的金和硅光學(xué)元件、電子元件和機(jī)械元件，所有此類元件都被密集地封裝在一起，能夠?qū)⒐鈴囊粋€(gè)微型通道中導(dǎo)入并導(dǎo)出，改變光速并改變行進(jìn)方向。一納米是十億分之一米，大約是人類頭發(fā)寬度的十萬(wàn)分之一。

該研究報(bào)告的合著者，NIST、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和馬里蘭大學(xué)的Christian Haffner表示，該設(shè)備有無(wú)數(shù)應(yīng)用。在無(wú)人駕駛汽車中，該開關(guān)可以迅速改變一束光的方向，讓這束光必須同時(shí)繼續(xù)掃描道路的所有部分，幫助無(wú)人駕駛汽車測(cè)量其與其他汽車和行人間的距離。該設(shè)備還可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，讓更強(qiáng)大的光基電路取代電力電路。這些都是人工智能系統(tǒng)，能夠在模式識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)管理等復(fù)雜任務(wù)中，模擬人類大腦中神經(jīng)元做出決策的方式。

該項(xiàng)新技術(shù)還幾乎不會(huì)使用能量來(lái)改變光信號(hào)的方向，該功能能夠幫助實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)會(huì)處理存儲(chǔ)在特殊制備的亞原子粒子對(duì)之間微妙關(guān)系中的數(shù)據(jù)，而此類關(guān)系極其脆弱，要求計(jì)算機(jī)在超低溫和低功耗下工作，粒子對(duì)受到的干擾越少越好。由于該新型光開關(guān)與以前的光開關(guān)不同，幾乎不需能量，因而能夠成為量子計(jì)算機(jī)的一部分。

Haffner與NIST的Vladimir Aksyuk和Henri Lezec表示，他們的發(fā)現(xiàn)將令科學(xué)界許多人吃驚，因?yàn)樵摮晒c大家長(zhǎng)期以來(lái)所相信的理論不符。有些研究人員認(rèn)為，光電機(jī)械開關(guān)不實(shí)用，因?yàn)轶w積龐大，運(yùn)行速度太慢而且對(duì)計(jì)算機(jī)芯片元件的電壓要求過高，難以承受。

該開關(guān)利用了光的波動(dòng)性，當(dāng)兩個(gè)相同的光波相遇時(shí)，可以疊加，讓其中一個(gè)光波的波峰對(duì)齊或加強(qiáng)另一個(gè)光波的波峰，從而創(chuàng)造出一種稱為相長(zhǎng)干涉（constructive interference）的明亮模式。兩個(gè)光波如果不完全同步，其中一個(gè)光波的波谷就會(huì)抵消另一個(gè)光波的波峰，產(chǎn)生一種稱為相消干涉（destructive interference）的黑暗模式。

研究小組在設(shè)計(jì)中，讓一束光限制在微型的高速公路上，即一種稱為波導(dǎo)的管狀通道。此種直線型高速公路被設(shè)計(jì)成有一個(gè)出口匝道（斜坡），讓有些光能夠進(jìn)入跑道型腔體中，此類腔體離匝道只有幾納米遠(yuǎn)，被蝕刻在硅盤上。如果光的波長(zhǎng)合適，則可以在離開硅腔體前，繞著跑道旋轉(zhuǎn)多次。

該開關(guān)還有一個(gè)重要組件：在硅盤上方幾十納米處還懸掛了一個(gè)金膜。有些在硅跑道上傳播的光會(huì)泄露出來(lái)，擊中薄膜，導(dǎo)致薄膜表面的電子群發(fā)生振蕩。此類振蕩被稱為等體離子（plasmons），是光波和電子波混合體的一種：振蕩的電子與入射光波相似，因?yàn)樗鼈円韵嗤念l率振動(dòng)，但它們的波長(zhǎng)要短得多。較短的波長(zhǎng)讓研究人員可以在幾納米的距離范圍內(nèi)操控等體離子，此種距離遠(yuǎn)短于原始光波的長(zhǎng)度，然后再將振蕩轉(zhuǎn)化為光，反過來(lái)又使光開關(guān)非常緊湊。

通過改變硅盤與金膜之間僅有的幾納米的縫隙寬度，研究人員可以將混合光波的相位（即波到達(dá)波峰或波谷的時(shí)間點(diǎn)）延遲或提前。研究人員利用靜電使金膜彎曲，即使縫隙寬度僅發(fā)生了微小的變化，也會(huì)極大地改變相位。

當(dāng)兩束光在管道型的高速公路上重新結(jié)合時(shí)，取決于研究人員延遲還是提前了光波的相位，該兩束光要么會(huì)相長(zhǎng)干涉，要么會(huì)相消干涉。如果光束相匹配，導(dǎo)致相長(zhǎng)干涉，光線就會(huì)繼續(xù)沿著原來(lái)的方向，一路順著管道前進(jìn)。如果光束相消干涉，通道就會(huì)被阻斷。相反，該光線必須沿著其他方向移動(dòng)，而前進(jìn)方向由放置在被阻斷通道附近的其他波導(dǎo)或路徑?jīng)Q定。通過此種方式，光可以隨意地被轉(zhuǎn)換到任一計(jì)算機(jī)芯片上。

科學(xué)家們?cè)?jīng)認(rèn)為，等體離子系統(tǒng)會(huì)極大地減弱光信號(hào)，因?yàn)楣庾訒?huì)穿透金膜的內(nèi)部，導(dǎo)致電子吸收大部分光能。

不過，研究人員已經(jīng)證明該假設(shè)是錯(cuò)誤的，該設(shè)備非常緊湊，而且其設(shè)計(jì)確保了幾乎沒有光子會(huì)穿透薄膜，而且光信號(hào)的損耗只有2.5%，而之前的開關(guān)的損耗為60%，使得盡管該開關(guān)仍處于原型階段，但仍可以應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在努力縮短硅盤與金膜之間的距離，使該設(shè)備尺寸更小，進(jìn)一步減少信號(hào)損耗，讓工業(yè)對(duì)該技術(shù)更感興趣。

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