光子計算領域新突破：有望實現高性能光學晶體管！

近日，美國賓夕法尼亞大學教授 Ritesh Agarwal 的研究小組在光子計算領域取得新的科研進展，研究人員過特製的電場精準地控制光信號的混合，得到的輸出具有幾乎完美的對比度和極大的開關電流比，這些特性對於創造光學晶體管來說非常關鍵。

背景

現有的電子計算機是通過電流來傳遞和處理信息，通過晶體管操控電信號，進行二進位信息「0」和「1」的比特運算。然而，光子計算機中作為一種完全不同於電子計算機的新型計算機，它採用光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導線互連，以光硬體代替電子硬體，以光運算代替電運算，利用光線來傳送信號，並由光導纖維與各種光學元件等構成集成光路，從而進行數據運算、傳輸和存儲。

對於高度複雜的計算任務，光子計算機可以進行快速並行處理，因此理論上說，其運算速度較電子計算機具有顯著優勢。作為一個非常有前途的前沿科技領域，光子計算機已經受到了科學界廣泛關注。

創新

近日，美國賓夕法尼亞大學應用科學和工程學院的教授 Ritesh Agarwal 在光子計算領域取得新的科研進展，旨在通過光線作為媒介實現更加高速的計算機。Agarwal 的光子計算研究，一直專註於通過類似於電子計算機組件的方式，尋找可以放大和混合光波材料的正確組合和物理配置。

在發表於《自然通信》（Nature Communications）雜誌中的一篇論文中，他和他的同事們邁出了重要一步：通過特製的電場精準地控制光信號的混合，得到的輸出具有幾乎完美的對比度和極大的開關電流比（on/off ratio），這些特性對於創造光學晶體管來說非常關鍵。

技術

Agarwal 表示：「目前，例如計算『5+7』，我們需要發送一個電信號代表『5』，再發送一個電信號代表『7』，晶體管進行混合製造出一個代表『12』的電信號。通過光線這麼做存在一個障礙，就是能夠混合光信號的材料往往也具有非常強烈的背景信號。這種背景信號將顯著降低對比度和開關電流比，從而導致是輸出錯誤。」

背景信號的存在會影響預期的輸出。光學晶體管必要的計算特性，例如：開關電流比、調製強度以及信號混合比，一直都非常差。然而，電氣晶體管卻在這些特性方面都具有較高的標準，從而可以預防錯誤。

按照這些特性要求，尋找出可在光學晶體管中使用的材料，是一件複雜工作。只有「非線性」材料才能進行這種光學信號混合。

為了解決這個問題，Agarwal 的研究小組的研究開始於尋找沒有背景信號的系統：由硫化鎘組成的納米「帶」。然後，Agarwal 和他的同事們通過納米帶施加電場，為系統引入光學非線性特徵，使得這種系統能夠進行信號混合輸出，否則這個輸出將是零。

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

Agarwal 表示：「我們的系統可以從零啟動，然後變成極大的值，因此具有完美的對比度，以及極大的調製和開關電流比。」

價值

對於實現光子計算機來說，研究人員已經尋找到了一種關鍵元件，下面的工作將包括將它們集成到光學互連、調製器、檢測器中，從而論證實際的計算。

關鍵字

晶體管、光學、計算機

參考資料

【1】https://news.upenn.edu/news/penn-engineering-research-gives-optical-switches-contrast-electronic-transistors

【2】Ming-Liang Ren, Jacob S. Berger, Wenjing Liu, Gerui Liu, Ritesh Agarwal.Strong modulation of second-harmonic generation with very large contrast in semiconducting CdS via high-field domain. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02548-3

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