我们现在的电脑和手机芯片,靠电子在硅片上奔跑来传递信息,但电子跑得再快,也受限于发热和物理极限。为了突破瓶颈,全球都在研发“光子芯片”——用光来算数据。 近日,俄罗斯圣光机大学(ITMO)的科学家宣布,他们成功研发出一种微型激光器,能把光“拧成麻花”,为光量子芯片解决了关键的一步。
一、什么叫“把光拧成麻花”?
通常我们看到的激光束,是笔直向前传播的。但在量子物理和光通信中,科学家可以通过特殊手段,让光波的阵面像螺旋楼梯一样旋转向前,这就叫“涡旋光”。
把光“拧”起来有什么用?因为光旋转的方向(左旋或右旋)可以像0和1一样,用来编码海量数据。把涡旋光应用在芯片上,能成倍提升通信容量和计算速度。
二、突破难点:怎么让光“跑出”芯片?
过去,科学家能在实验室里造出涡旋光,但做进微芯片里太难了。为什么?因为光被束缚在极微小的光子电路里,很难把它引导出来,并精准控制它的旋转方向。
俄罗斯科学家的解法极其硬核:他们用一种叫“钙钛矿”的新型材料,做了一个极其微小的圆盘。然后在圆盘边缘,用激光雕刻出“类似齿轮状”的纳米孔阵列。
当光在这个微小的“齿轮”里激荡时,就会被强制转化为涡旋光,并且能向外发射到自由空间。这就相当于在微芯片的迷宫里,给光安装了一个完美的“发射塔”。
三、未来的应用:算力天花板被打破
这项技术的落地,为“光量子芯片”铺平了道路。
光子芯片不需要电子跑,而是让光子在芯片内互相干涉、运算。它的速度将远超现在的电子芯片,而且几乎不发热。除了计算机,这项技术还能用来制造极其灵敏的“量子传感器”,比如用于医疗领域的超高精度分子探测。
四、说清楚:还在实验室
需要客观指出,这目前只是一个“实验室原理样机”。
钙钛矿材料虽然性能优异,但极其脆弱,怕水、怕热,寿命较短。如何让这种微型激光器在复杂环境下长期稳定工作,并实现流水线的大规模制造,是工程化的巨大挑战。但不管怎么说,这一脚,确实踢开了光子芯片大门的一条缝。
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来源:俄罗斯圣光机大学(ITMO)及俄媒报道。该技术目前处于实验室研发阶段,距离商用芯片量产还有较长距离。
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