美奧科學(xué)家聯(lián)合研制出單光子控制的全光晶體管

近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)電子研究實(shí)驗(yàn)室(RLE)、哈佛大學(xué)以及奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們指出，他們研制出了一種由單個(gè)光子控制的全光開關(guān)，新的全光晶體管有望讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)都受益。

新的全光開關(guān)的核心是一對(duì)高度反光的鏡子。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，光信號(hào)能穿過(guò)這兩面鏡子，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，信號(hào)中約20%的光能穿過(guò)鏡子。如此一來(lái)，這對(duì)鏡子就構(gòu)成了所謂的光學(xué)共振器。該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、MIT物理學(xué)教授弗拉達(dá)·烏勒提解釋道，如果鏡子間的距離根據(jù)光的波長(zhǎng)精確地調(diào)整，那么，對(duì)某些波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，鏡子就是透明的，這就是默認(rèn)的“開”狀態(tài)。

在ERL的實(shí)驗(yàn)中，兩面鏡子間的空腔內(nèi)充滿了超冷的銫原子組成的氣體。一般情況下，銫原子與穿過(guò)鏡子的光“井水不犯河水”。但如果某個(gè)“門光子”以不同的角度射入兩面鏡子的中間，將一個(gè)原子的一個(gè)電子推入更高能態(tài)，它就會(huì)改變空腔的物理特性，使光無(wú)法再通過(guò)空腔，令開關(guān)關(guān)閉。

隨著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片上簇?fù)淼木w管越來(lái)越多，芯片的能耗與日俱增且變得更熱，這款全光晶體管或許可以解決這兩個(gè)問(wèn)題。當(dāng)然，超冷的原子云團(tuán)并非網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器內(nèi)晶體管的理想設(shè)計(jì)方案。烏勒提說(shuō)：“對(duì)于經(jīng)典計(jì)算來(lái)說(shuō)，這只是一個(gè)概念性的實(shí)驗(yàn)。我們也能在光纖或固片內(nèi)使用不純凈的原子做出同樣的設(shè)備?！?/p>

這款設(shè)備可能對(duì)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)更有益處。量子計(jì)算依靠量子機(jī)制內(nèi)在的不確定性來(lái)處理信息，其信息處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)機(jī)器。普通的信息比特只能代表0或者1，而量子比特以0和1的疊加狀態(tài)存在，這種模糊性使幾個(gè)量子比特可以被并行處理，因此可以一次執(zhí)行多個(gè)運(yùn)算。

科學(xué)家們已經(jīng)使用激光捕獲離子和核磁共振制造出了原始的量子計(jì)算機(jī)，但很難讓量子比特保持疊加狀態(tài)，光子更容易保持疊加狀態(tài)，科學(xué)家們可據(jù)此制造出一系列處于疊加狀態(tài)的光學(xué)電路。更重要的是，烏勒提表示，傳統(tǒng)晶體管可以將電信號(hào)內(nèi)的噪音過(guò)濾掉，而量子反饋則能將量子噪音抵消，因此，人們能制造出通過(guò)其他方法無(wú)法獲得的量子狀態(tài)。

這一開關(guān)也能用做目前還沒(méi)有的光探測(cè)器：如果光子撞上了原子，光無(wú)法通過(guò)空腔，這意味該設(shè)備可以在不破壞光子的情況下探測(cè)其蹤跡。

斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授耶萊娜·烏克維斯則認(rèn)為：“計(jì)算設(shè)備的能耗是一個(gè)大問(wèn)題。新設(shè)備的美妙之處在于，它能真正在單光子狀態(tài)下開關(guān)，因此，能量損失更小。應(yīng)該可以在更容易整合進(jìn)計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)的物理系統(tǒng)上重復(fù)該實(shí)驗(yàn)。”