美奧科學家聯(lián)合研制出單光子控制的全光晶體管

近日，美國麻省理工學院(MIT)電子研究實驗室(RLE)、哈佛大學以及奧地利維也納技術(shù)大學的科學家們指出，他們研制出了一種由單個光子控制的全光開關(guān)，新的全光晶體管有望讓傳統(tǒng)計算機和量子計算機都受益。

新的全光開關(guān)的核心是一對高度反光的鏡子。當開關(guān)打開時，光信號能穿過這兩面鏡子，當開關(guān)關(guān)閉時，信號中約20%的光能穿過鏡子。如此一來，這對鏡子就構(gòu)成了所謂的光學共振器。該研究的領導者、MIT物理學教授弗拉達·烏勒提解釋道，如果鏡子間的距離根據(jù)光的波長精確地調(diào)整，那么，對某些波長的光來說，鏡子就是透明的，這就是默認的“開”狀態(tài)。

在ERL的實驗中，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，銫原子與穿過鏡子的光“井水不犯河水”。但如果某個“門光子”以不同的角度射入兩面鏡子的中間，將一個原子的一個電子推入更高能態(tài)，它就會改變空腔的物理特性，使光無法再通過空腔，令開關(guān)關(guān)閉。

隨著傳統(tǒng)計算機芯片上簇擁的晶體管越來越多，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問題。當然，超冷的原子云團并非網(wǎng)絡服務器內(nèi)晶體管的理想設計方案。烏勒提說：“對于經(jīng)典計算來說，這只是一個概念性的實驗。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備。”

這款設備可能對量子計算機來說更有益處。量子計算依靠量子機制內(nèi)在的不確定性來處理信息，其信息處理速度遠遠快于傳統(tǒng)機器。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，這種模糊性使幾個量子比特可以被并行處理，因此可以一次執(zhí)行多個運算。

科學家們已經(jīng)使用激光捕獲離子和核磁共振制造出了原始的量子計算機，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)，科學家們可據(jù)此制造出一系列處于疊加狀態(tài)的光學電路。更重要的是，烏勒提表示，傳統(tǒng)晶體管可以將電信號內(nèi)的噪音過濾掉，而量子反饋則能將量子噪音抵消，因此，人們能制造出通過其他方法無法獲得的量子狀態(tài)。

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

斯坦福大學電子工程學教授耶萊娜·烏克維斯則認為：“計算設備的能耗是一個大問題。新設備的美妙之處在于，它能真正在單光子狀態(tài)下開關(guān)，因此，能量損失更小。應該可以在更容易整合進計算機芯片內(nèi)的物理系統(tǒng)上重復該實驗。”