據外媒報道，美國國家標準暨技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人員與同事合作，研發(fā)出一種光開關，能夠將光以20億分之一秒的速度從一個計算機芯片傳輸至另一個計算機芯片，比任何其他類似設備都快。該緊湊型開關是首個能夠在足夠低的電壓下運行的光開關，因而可集成至低成本的硅芯片上，并能以非常低的信號損耗重新改變光線的方向。

（圖片來源：美國國家標準暨技術研究院）

該開關具有創(chuàng)紀錄的性能，也是打造利用光線而不是電力處理信息的計算機的重要一步。依靠光線粒子 – 光子在計算機中傳輸數(shù)據有幾大優(yōu)勢。首先，光子的速度比電子快，而且不會因為需要加熱計算機組件而浪費能量，而管理廢熱正是提升計算機性能的一大阻礙。數(shù)十年來，光纖一直利用光信號在遠距離傳輸信息，不過，光纖會占據太多空間，因而無法用于計算機芯片傳輸數(shù)據。

新型開關結合了納米大小的金和硅光學元件、電子元件和機械元件，所有此類元件都被密集地封裝在一起，能夠將光從一個微型通道中導入并導出，改變光速并改變行進方向。一納米是十億分之一米，大約是人類頭發(fā)寬度的十萬分之一。

該研究報告的合著者，NIST、蘇黎世聯(lián)邦理工學院和馬里蘭大學的Christian Haffner表示，該設備有無數(shù)應用。在無人駕駛汽車中，該開關可以迅速改變一束光的方向，讓這束光必須同時繼續(xù)掃描道路的所有部分，幫助無人駕駛汽車測量其與其他汽車和行人間的距離。該設備還可以在神經網絡中，讓更強大的光基電路取代電力電路。這些都是人工智能系統(tǒng)，能夠在模式識別和風險管理等復雜任務中，模擬人類大腦中神經元做出決策的方式。

該項新技術還幾乎不會使用能量來改變光信號的方向，該功能能夠幫助實現(xiàn)量子計算。量子計算機會處理存儲在特殊制備的亞原子粒子對之間微妙關系中的數(shù)據，而此類關系極其脆弱，要求計算機在超低溫和低功耗下工作，粒子對受到的干擾越少越好。由于該新型光開關與以前的光開關不同，幾乎不需能量，因而能夠成為量子計算機的一部分。

Haffner與NIST的Vladimir Aksyuk和Henri Lezec表示，他們的發(fā)現(xiàn)將令科學界許多人吃驚，因為該成果與大家長期以來所相信的理論不符。有些研究人員認為，光電機械開關不實用，因為體積龐大，運行速度太慢而且對計算機芯片元件的電壓要求過高，難以承受。

該開關利用了光的波動性，當兩個相同的光波相遇時，可以疊加，讓其中一個光波的波峰對齊或加強另一個光波的波峰，從而創(chuàng)造出一種稱為相長干涉（constructive interference）的明亮模式。兩個光波如果不完全同步，其中一個光波的波谷就會抵消另一個光波的波峰，產生一種稱為相消干涉（destructive interference）的黑暗模式。

研究小組在設計中，讓一束光限制在微型的高速公路上，即一種稱為波導的管狀通道。此種直線型高速公路被設計成有一個出口匝道（斜坡），讓有些光能夠進入跑道型腔體中，此類腔體離匝道只有幾納米遠，被蝕刻在硅盤上。如果光的波長合適，則可以在離開硅腔體前，繞著跑道旋轉多次。

該開關還有一個重要組件：在硅盤上方幾十納米處還懸掛了一個金膜。有些在硅跑道上傳播的光會泄露出來，擊中薄膜，導致薄膜表面的電子群發(fā)生振蕩。此類振蕩被稱為等體離子（plasmons），是光波和電子波混合體的一種：振蕩的電子與入射光波相似，因為它們以相同的頻率振動，但它們的波長要短得多。較短的波長讓研究人員可以在幾納米的距離范圍內操控等體離子，此種距離遠短于原始光波的長度，然后再將振蕩轉化為光，反過來又使光開關非常緊湊。

通過改變硅盤與金膜之間僅有的幾納米的縫隙寬度，研究人員可以將混合光波的相位（即波到達波峰或波谷的時間點）延遲或提前。研究人員利用靜電使金膜彎曲，即使縫隙寬度僅發(fā)生了微小的變化，也會極大地改變相位。

當兩束光在管道型的高速公路上重新結合時，取決于研究人員延遲還是提前了光波的相位，該兩束光要么會相長干涉，要么會相消干涉。如果光束相匹配，導致相長干涉，光線就會繼續(xù)沿著原來的方向，一路順著管道前進。如果光束相消干涉，通道就會被阻斷。相反，該光線必須沿著其他方向移動，而前進方向由放置在被阻斷通道附近的其他波導或路徑決定。通過此種方式，光可以隨意地被轉換到任一計算機芯片上。

科學家們曾經認為，等體離子系統(tǒng)會極大地減弱光信號，因為光子會穿透金膜的內部，導致電子吸收大部分光能。

不過，研究人員已經證明該假設是錯誤的，該設備非常緊湊，而且其設計確保了幾乎沒有光子會穿透薄膜，而且光信號的損耗只有2.5%，而之前的開關的損耗為60%，使得盡管該開關仍處于原型階段，但仍可以應用于商業(yè)領域。

現(xiàn)在，該團隊正在努力縮短硅盤與金膜之間的距離，使該設備尺寸更小，進一步減少信號損耗，讓工業(yè)對該技術更感興趣。

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