最近，由 Skoltech 和 IBM 領導的一個國際研究團隊創造了一種極其節能的光開關，它可以取代操縱光子而不是電子的新一代計算機中的電子晶體管。除了直接省電之外，該開關不需要冷卻，而且速度非常快：每秒 1 萬億次操作，比當今一流的商用晶體管快 100 到 1,000 倍。這項研究最近發表在《自然》雜志上。

　　該研究的第一作者 Anton Zasedatelev 博士評論說：“新設備如此節能的原因在于它只需要幾個光子即可切換。” “事實上，在我們的 Skoltech 實驗室中，我們在室溫下僅用一個光子就實現了切換！也就是說，在全光協處理器中使用這種原理驗證演示還有很長的路要走，”Skoltech 混合光子學實驗室負責人 Pavlos Lagoudakis 教授補充道。

　　由于光子是自然界中存在的最小的光粒子，因此就功耗而言，除此之外確實沒有太大的改進空間。大多數現代電子晶體管需要數十倍的能量來切換，而使用單電子實現可比效率的晶體管則要慢得多。

　　除了性能問題之外，競爭性節能電子晶體管還往往需要龐大的冷卻設備，這反過來又會消耗功率并影響運營成本。新開關可在室溫下方便地工作，因此可以避免所有這些問題。

　　除了其主要的類似晶體管的功能外，該開關還可以作為一個組件，通過以光信號的形式在設備之間穿梭數據來連接設備。它還可以用作放大器，將入射激光束的強度提高多達 23,000 倍。

　　從眼里上看，該設備依靠兩個激光將其狀態設置為“0”或“1”并在它們之間切換。非常微弱的控制激光束用于打開或關閉另一束更亮的激光束。它只需要控制光束中的幾個光子，因此該設備的效率很高。

　　轉換發生在微腔內--一種夾在高反射無機結構之間的 35 納米薄有機半導體聚合物。微腔的構建方式可以將入射光盡可能長時間地困在內部，以利于其與腔材料的耦合。

　　這種光物質耦合構成了新設備的基礎。當光子強烈耦合到腔材料中的束縛電子-空穴對（即激子）時，就會產生稱為激子-極化子的短壽命實體，它們是開關操作核心的一種準粒子。

　　當pump laser--兩者中較亮的一個--照射在開關上時，這會在同一位置產生數千個相同的準粒子，形成所謂的玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate），它編碼了“0”和“1”的邏輯狀態裝置。

　　為了在設備的兩個級別之間切換，該團隊使用控制激光脈沖在pump laser脈沖到達之前不久對冷凝物進行 seeding 。結果，它刺激了pump laser的能量轉換，增加了凝聚物中準粒子的數量。那里的大量粒子對應于設備的“1”狀態。

　　研究人員使用了幾項調整來確保低功耗：首先，半導體聚合物分子的振動有助于有效切換。訣竅是將pumped態和condensate 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；其次，該團隊設法找到了將激光調諧到的最佳波長，并實施了一種新的測量方案，可實現單次冷凝檢測；第三，控制laser seeding the condensate及其檢測方案以抑制設備“背景”發射噪聲的方式進行匹配。這些措施最大限度地提高了設備的信噪比水平，并防止微腔吸收過多的能量，這只會通過分子振動來加熱它。

　　“我們還有一些工作要做，以降低我們設備的整體功耗，目前主要由保持開關開啟的pump laser主導。實現這一目標的途徑可能是鈣鈦礦超晶（ perovskite supercrystal）材料，就像我們與合作者正在探索的那樣。由于它們強的光物質耦合，它們已被證明是優秀的候選者，這反過來又以超熒光的形式導致強大的集體量子響應，”該團隊評論道。

　　從更大的角度來看，研究人員認為他們的新開關只是他們過去幾年組裝的不斷增長的全光學組件工具包中的一個。其中，它包括一個低損耗硅波導，用于在晶體管之間來回傳輸光信號。這些組件的發展使我們離操縱光子而不是電子的光學計算機更近了一步，從而帶來了極其優越的性能和更低的功耗。Skoltech 的研究得到了俄羅斯科學基金會 （RSF） 的支持。除了 Skoltech 和 IBM，該研究還邀請了杜霍夫自動化研究所、MIPT、RAS 光譜研究所、NRU 高等經濟學院、伍珀塔爾大學和南安普敦大學的研究人員。