北京
新型光子芯片实现超快光开关，能耗创纪录新低。
宾夕法尼亚大学和蒙大拿州立大学的研究人员现推出一种新式光子系统，旨在突破这一瓶颈。该器件将二维半导体二硒化钼（MoSe₂）与光子晶体纳米腔相结合，能以极低能耗实现用光控制光信号。
利用光而非电处理信息的光子器件，长久以来一直被视为迈向更快、更节能计算系统的希望之路。然而，一个主要挑战始终限制着其发展：光子，也就是光的粒子，天然不易相互发生作用。
构建基于光的计算平台
“我们的首要目标是推动全光计算这一领域——这是一个长久以来的梦想，即建造用光而非电处理信息的系统，”论文资深作者、蒙大拿州立大学助理教授何力在接受媒体采访时说道。
“由于光的传播速度比运动的电子更快，产生的热量也更少，这类系统可能远比今天的电子芯片更强大、更节能。但要使之成为现实，我们面临着一个根本性难题：光子（即光粒子）通常彼此之间不会相互作用，”他接着说。
为解决这个问题，研究人员致力于利用激子‑极化激元在光子之间创造更强的相互作用。激子‑极化激元是光子和半导体内部激子发生强耦合时形成的一种混合准粒子。他们使用了单层二硒化钼，并将其与精心设计用来紧密束缚光的氮化硅纳米束腔集成在一起。
实现超低能耗光开关
这种受约束的纳米腔有助于放大器件内部光与物质的相互作用，从而在极低功耗下实现超快光开关。何力解释道：“通过迫使光与原子般薄的二硒化钼层中的物质强耦合，我们可以有效地让光子相互作用，并仅用极少的光能就改变系统的行为。”
“我们通过创造一种被称为激子‑极化激元的混合态来做到这一点。这些是‘半光半物质’的准粒子，继承了两者的最佳特性：因为它们部分是光子，所以能以光速传播；又因为它们部分是物质（激子），所以能够通过其背后的激子产生相互作用。”
据研究人员介绍，这种纳米腔像一个超精密的光陷阱，把极化激元压缩到极微小的空间里，显著增强了粒子间的相互作用。该系统实现一次光开关仅消耗大约 4 飞焦耳的能量。
迈向人工智能与量子计算应用
研究人员表示，该平台最终可支持大规模集成光子电路以及未来的人工智能或量子计算技术。何力表示：“我们展示了一条在极低光强下实现光开关的路径，正逐步逼近光子相互作用所需能量的基本极限。”
“至关重要的是，我们的平台在设计时就考虑了大规模量产。通过采用能够使用标准制造技术图案化的材料与结构，我们证明了这些二维材料器件可以集成到大规模集成光子电路中。这为包含数千个相互作用光学元件的芯片打开了大门，”他继续说道。
目前，团队正致力于进一步优化纳米结构，以进一步降低开关阈值，并探索将多个纳米腔连接成更大规模光学处理电路的方法。
该项研究成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
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