科技日報(bào)記者 張夢然

美國普渡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了單光子層面精準(zhǔn)控制光束，并以此研發(fā)出一種能在單光子強(qiáng)度下工作的“光子晶體管”，這是實(shí)現(xiàn)光基技術(shù)全部潛力的關(guān)鍵一步，可為光子芯片研發(fā)與量子計(jì)算研究鋪平道路。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然·納米技術(shù)》期刊上。

從光纖通信到量子傳感器，光子技術(shù)支撐著數(shù)字世界的運(yùn)行。而隨著對更快、更高效計(jì)算和通信系統(tǒng)的需求不斷增長，能夠在單光子層面精準(zhǔn)控光，無疑是邁向光子時(shí)代的至關(guān)重要的一步。

長久以來，科學(xué)家一直難以實(shí)現(xiàn)用單個(gè)光子去控制另一束光，因?yàn)檫@就像用一根火柴去點(diǎn)燃一盞探照燈，聽起來幾乎不可能。

此次突破的核心在于，它能讓一個(gè)微弱到只有一個(gè)光子的控制光束，去調(diào)制或開關(guān)一束強(qiáng)大的探測光。在此之前，傳統(tǒng)材料的光學(xué)非線性效應(yīng)非常微弱，通常需要極高功率的激光才能讓兩束光相互作用。鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地利用了商業(yè)單光子探測器中常見的“雪崩倍增”原理，當(dāng)一個(gè)光子撞擊硅片時(shí)，會(huì)像引發(fā)雪崩一樣產(chǎn)生多達(dá)100萬個(gè)電子，從而將微弱的量子信號(hào)放大成宏觀上可測量的電流。利用這一過程，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了光束間的巨大非線性效應(yīng)，讓單個(gè)光子擁有了控制宏觀光束的能力。

該成果優(yōu)勢顯著。在此基礎(chǔ)上誕生的光子晶體管，能在室溫下穩(wěn)定工作，不像其他依賴量子系統(tǒng)的方案那樣需要極低溫環(huán)境。它能與現(xiàn)有的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容，這意味著其可以無縫集成到當(dāng)前的芯片制造流程中，為未來光子芯片打下基礎(chǔ)。此外，它的運(yùn)行速度極快，可達(dá)吉赫茲級(jí)別，甚至有望提升到數(shù)百吉赫茲，遠(yuǎn)超現(xiàn)有方法。

團(tuán)隊(duì)表示，初期使用的仍是商用單光子雪崩二極管，未來他們計(jì)劃設(shè)計(jì)專門優(yōu)化的器件，以進(jìn)一步提升性能。

這項(xiàng)技術(shù)不僅有望推動(dòng)量子計(jì)算的發(fā)展，更可能在經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域引發(fā)變革，例如用于構(gòu)建超高速、低功耗的光子計(jì)算機(jī)，或在數(shù)據(jù)中心和光通信系統(tǒng)中取代更慢、更耗電的電子設(shè)備。

總編輯圈點(diǎn)

從構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)，這項(xiàng)研究歷時(shí)四年，經(jīng)歷了無數(shù)次的嘗試與迭代。但現(xiàn)在的成績讓科學(xué)家相信，他們已有能力為光子學(xué)開辟一個(gè)全新的“游樂場”。而當(dāng)人類的單光子控制能力從實(shí)驗(yàn)室推向工程應(yīng)用，其意義也將遠(yuǎn)超器件本身：未來量子計(jì)算機(jī)或可借此突破瓶頸，而經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域更將迎來變革——超低功耗的光子處理器有望重塑數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，為人們開啟難以想象的光速計(jì)算時(shí)代。