北京
来源：科技日报
科技日报记者 张梦然
美国宾夕法尼亚大学研究团队攻克了光子计算领域关键难题：创造出一种可进行计算的混合光物质粒子，首次实现了计算所需的全光信号切换。这一突破为未来超高速、低能耗的AI硬件乃至量子计算芯片奠定了物理基础。相关研究论文发表在最新一期《物理评论快报》上。
光子因其高速、低损耗的特性主导了现代通信，但其弱相互作用性一直是计算应用的短板。这项研究通过将光与原子级薄半导体材料中的电子强耦合，形成了被称为“激子—极化子”的混合粒子。该粒子兼具光的高速传播特性与物质的强相互作用能力，从而克服了传统光子难以进行逻辑运算的关键障碍。
研究团队在实验中演示了基于激子—极化子的全光开关操作，其单次切换能耗仅为约4飞焦耳（4×10-15焦耳），能量消耗极低。这一突破对于AI硬件发展具有特殊意义。目前多数光子AI芯片虽能用光执行线性计算，但在执行非线性激活函数等关键决策步骤时，仍需将光信号转换回电子信号，这种反复转换过程严重制约了光子计算的速度与能效优势。新方案有望实现从光输入到光处理的全流程光子计算，避免信号转换带来的损耗。
当前，随着AI对算力需求的爆炸式增长，电子器件的物理极限日益凸显：电子因携带电荷而产生电阻和热量，高密度集成与大数据处理面临功耗与散热挑战。光子作为电子的无质量、电中性伙伴，在通信领域已占据主导，但其与环境相互作用极弱的特性，长期以来阻碍了其在计算逻辑中的应用。
此次，团队的工作正是为了突破这一瓶颈。他们构建的纳米尺度光学腔与原子级薄半导体材料相结合，使光与物质发生强相互作用，产生的激子-极化子准粒子足以执行计算所需的信号开关操作。
该技术若成功规模化，将使计算芯片能够直接处理来自摄像头等传感器的光信号，大幅降低大型AI系统的功耗，并为在芯片上实现基础的量子计算操作提供可能路径。
总编辑圈点
光虽然跑得快，但没法做逻辑运算。在执行一些关键步骤时，即使是光子芯片，也要将光信号改为电信号。此次，科研人员将光和一种极薄的材料“绑定”在一起，创造出一种混合粒子。这种粒子既保留了光传输速度快、能量损耗小的优点，又能像电子那样跟周围粒子发生相互作用，从而可以直接在芯片上完成开关、逻辑运算等计算任务。这种转变能大幅提升AI硬件的速度并降低能耗。未来若成功规模化，还可为芯片上的量子计算开辟新路径。
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