光子取代电子？未来计算机处理器将变得更小更快

背景

如今，人类正处于一个信息大爆炸的年代，利用和生产的数据都在急剧增长。

（图片来源：谢菲尔德大学）

如此弘大的数据，使我们对付能源效率和通信带宽的哀求越来越高。
然而，基于“电”的传统晶体管技能正在迅速逼近其物理极限。
作为一种替代方案，“光”正在逐渐霸占打算机与电信领域中信息处理的领导地位。

（图片来源：RMIT）

与电子比较，光子穿越材料时不会产生热量，可有效降落能耗。
此外，用光通信代替电通信，能使芯片上和芯片间的通信速率增加千倍。

（图片来源：Getty Images）

光子已经成为通过光纤进行洲际通信的黄金标准，正在取代电子成为全体光网络中信息的紧张载体，并进入打算机本身非常核心的地方。

光纤（图片来源：维基百科）

然而，要想完成从电子到光子的转变，我们还须要战胜大量的工程障碍。
支持光的工业标准硅电路，比当代电子晶体管大一个数量级。
一种办理方案便是采取“金属波导”压缩光芒。
然而，这不仅须要新的制造举动步伐，而且光芒与金属在芯片上相互浸染的办法，意味着光子很随意马虎丢失。

创新

近日，澳大利亚与德国的科学家已经开拓出一种模块化方法来设计纳米器件。
他们将最好的传统芯片设计与光子架构结合在一个稠浊构造中，来帮助战胜这些问题。
他们的研究于5月15日揭橥在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。

技能

这种稠浊方案许可在以纳米（十亿分之一米）尺度上操控光芒。
科学家们已经证明，他们可以在比携带信息的光波长小100倍的情形下实现数据操作。

利用金属的片上纳米器件（称为“等离子体”器件）实现了传统光子器件无法实现的功能。
最值得把稳的是，它们将光芒有效地压缩至几十亿分之一米，从而实现了极大增强、无滋扰的光与物质相互浸染。

这种模块化方案许可芯片中的光偏振快速旋转，这种旋转迅速使得纳米聚焦降落至波长的约百分之一。

绝缘体上硅稠浊等离子体电路的简单图和扫描电子显微照片（图片来源：参考资料【1】）

代价

悉尼大学纳米研究所与物理学院的论文领导作者亚历山德罗图尼兹（Alessandro Tuniz）博士表示：“我们在工业标准的硅光子系统和金属基波导之间架设了一座桥梁。
这种波导在保持效率的同时，尺寸可以缩小100倍。
”

图尼兹博士还说：“这项技能不仅带来革命性的通用途理，而且对纳米光谱、原子尺度传感和纳米探测器等专门的科学过程也非常有用。
”然而，他们的通用功能由于依赖专项设计（ad hoc designs）而受到阻碍。

图尼兹博士表示：“我们已经证明，两个单独的设计可以结合到一起，增强以前没有分外功能的普通芯片。
”

悉尼大学副教授、悉尼大学纳米研究所纳米光子学领头人、论文合著者之一的斯特凡诺帕隆巴（Stefano Palomba）表示：“这种效率和小型化对付将打算机处理转变为基于光的处理来说及其主要。
它也对开拓量子光学信息系统非常有用，量子光学信息系统对付未来量子打算机来说是一个很有前景的平台。
终极，我们估量光子信息将迁移到当代打算机的心脏CPU中。
IBM公司已经制订了这样的愿景。
”

量子光子集成电路（图片来源：Ali Adibi, 乔治亚理工学院）

悉尼大学光子与光科学研究所主任马蒂金德斯特克（Martijn de Sterke）教授表示：“未来的信息处理，很可能涉及利用金属的光子，从而许可我们将光芒压缩至纳米尺度，并将这些设计集成到传统硅光子学中。
”

关键字

纳米、光子、芯片

参考资料

【1】Alessandro Tuniz, Oliver Bickerton, Fernando J. Diaz, Thomas Ksebier, Ernst-Bernhard Kley, Stefanie Kroker, Stefano Palomba, C. Martijn de Sterke. Modular nonlinear hybrid plasmonic circuit. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-16190-z

【2】https://www.sydney.edu.au/news-opinion/news/2020/05/15/light-fantastic-path-ahead-for-faster-smaller-computer-processors-photonic-chips.html