新型高效节能光学“晶体管”将计算速度提高1000倍

未来计算机概念

由Skoltech和IBM领导的一个国际研究小组已经发明了一种极为节能的光开关,它可以取代新一代计算机中的电子晶体管,而不是电子。除了直接省电之外,这种开关不需要冷却,而且速度非常快:每秒操作1万亿次,比当今顶级商用晶体管快100到1000倍。这项研究发表于2021年9月22日,发表于自然

该研究的第一作者安东·扎列夫博士评论说:“新设备之所以如此节能,是因为它只需要几个光子就可以切换。”。“事实上,在我们的Skoltech实验室中,我们实现了在室温下仅使用一个光子的切换!也就是说,要将这种原理证明演示用于全光协处理器,还有很长的路要走,”Skoltech混合光子学实验室负责人Pavlos Lagoudakis教授补充道。

由于光子是自然界中存在的最小的光粒子,因此就功耗而言,除此之外,实际上没有太多的改进空间。大多数现代电晶体需要几十倍以上的能量来切换,而使用单电子来实现类似效率的电晶体则要慢得多。

除了性能问题,与之竞争的节电型电子晶体管往往还需要体积庞大的冷却设备,这反过来又会消耗电力,并计入运营成本。新的开关方便地在室温下工作,因此避免了所有这些问题。

除了基本的晶体管功能外,该开关还可以作为一个部件,通过以光信号的形式在设备之间传输数据来连接设备。它还可以用作放大器,将入射激光束的强度提高高达23000倍。

工作原理

该设备依靠两个激光器将其状态设置为“0”或“1”,并在它们之间进行切换。一个非常弱的控制激光束用来打开或关闭另一个更亮的激光束。它只需要控制光束中的几个光子,因此该设备的效率很高。

这种转换发生在微腔内部——一种夹在高反射无机结构之间的35纳米薄有机半导体聚合物。微腔的构建方式可以使入射光尽可能长时间地滞留在内部,以利于其与腔材料的耦合。

这种轻物质耦合形成了新装置的基础。当光子与空腔材料中的束缚电子-空穴对(又称激子)强烈耦合时,就会产生一种称为激子极性子的短寿命实体,它是开关操作核心的一种准粒子。

当泵浦光(两种激光中较亮的一种)照射到开关上时,这会在同一位置产生数千个相同的准粒子,形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚体,对器件的“0”和“1”逻辑状态进行编码。

为了在装置的两个级别之间切换,研究小组在泵浦光脉冲到达之前不久使用了一个控制激光脉冲对冷凝液进行播种。结果,它刺激了泵浦激光的能量转换,增加了冷凝液中准粒子的数量。其中的大量粒子对应于设备的“1”状态。

研究人员进行了几项微调,以确保低功耗:首先,有效的开关借助于半导体聚合物分子的振动。诀窍是将抽运态和凝析态之间的能量差距与聚合物中特定分子振动的能量相匹配。其次,该团队设法找到了调谐激光的最佳波长,并实施了一种新的测量方案,使单次发射的冷凝探测成为可能。第三,控制激光播撒冷凝物及其检测方案以抑制设备“背景”发射噪声的方式匹配。这些措施最大限度地提高了该设备的信噪比,并防止微腔吸收多余的能量,而微腔只能通过分子振动将其加热。

“我们仍有一些工作要做,以降低我们的设备的总功耗,目前主要由泵浦激光器保持开关。实现这一目标的途径可能是钙钛矿超晶体材料,就像我们正在与合作者一起探索的那些材料。他们已经证明了他们的优秀候选者,因为他们的强光物质耦合,进而导致了超荧光形式的强大集体量子响应,”该团队评论道。

从更宏观的角度来看,研究人员认为他们的新开关不过是他们在过去几年里组装的越来越多的全光学元件中的一个。除此之外,它还包括一个用于在晶体管之间来回传输光信号的低损耗硅波导。这些组件的发展使我们更加接近光学计算机,这种计算机将操纵光子而不是电子,从而获得极大的性能和更低的功耗。Skoltech的这项研究得到了俄罗斯科学基金会(RSF)的支持。

参考文献:“室温下的单光子非线性”,作者:安东·V·扎瑟捷列夫、安东·V·巴拉尼科夫、丹尼斯·桑尼科夫、大流士·乌尔伯纳斯、法比奥·斯卡菲里穆托、弗拉迪斯拉夫·余。希什科夫、埃夫根尼·安德里亚诺夫、尤里·洛佐维克、乌尔里希·舍尔夫、蒂洛·斯特费尔、雷纳·马赫特和帕夫洛斯·拉古达基斯,2021年9月22日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03866 - 9

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