科學家成功研制由單光子控制的全光晶體管
2013-07-09 21:59:40 本站原創近日消息，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大學的科學家們在最新一期《科學》雜志撰文指出，他們研制出了一種由單個光子控制的全光開關，新的全光晶體管有望讓傳統計算機和量子計算機都受益。
新的全光開關的核心是一對高度反光的鏡子。當開關打開時，光信號能穿過這兩面鏡子，當開關關閉時，信號中約20%的光能穿過鏡子。如此一來，這對鏡子就構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光的波長精確地調整，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。
在ERL的實驗中，兩面鏡子間的空腔內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，它就會改變空腔的物理特性，使光無法再通過空腔，令開關關閉。
隨著傳統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絡服務器內晶體管的理想設計方案。烏勒提說：“對于經典計算來說，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在的不確定性來處理信息，其信息處理速度遠遠快于傳統機器。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，因此可以一次執行多個運算。
科學家們已經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，光子更容易保持疊加狀態，科學家們可據此制造出一系列處于疊加狀態的光學電路。更重要的是，烏勒提表示，傳統晶體管可以將電信號內的噪音過濾掉，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。
這一開關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下開關，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的物理系統上重復該實驗。”
