光学技术进展为量子传感器和计算铺平道路

shuszhao · 发表于 2019-8-11 18:30:18

为了满足越来越高的计算性能要求，业界不断挑战半导体工艺技术极限，研究人员开发出量子光源和光子二极管，可望为量子计算开启大门…

尽管我们经常听到业界不断挑战半导体工艺技术极限，以满足越来越高的计算性能要求，如今，光学电路也正发展成为因应这项挑战的另一种潜在途径。
最近有两项关于这个主题的研究引起了我的注意，一是由德国慕尼黑工业大学(Technical University of Munich；TU München)为主导的研究，可望为量子传感器和晶体管铺路；另一项研究来自美国史丹佛大学(Stanford University)，致力于探讨光子二极管如何影响采用光组件的神经形态计算发展。
尽管这两项研究目前仍处于实验阶段，但我认为仍值得关注，以便有助于我们了解如何在人工智能(AI)等许多应用中解决高性能计算需求的问题。

量子光源照亮量子传感器和晶体管

由慕尼黑工业大学主导的这项研究集结了来自德国、美国和日本的物理学家，包括马克斯普朗克量子光学研究所(Garching)、不来梅大学、纽约州立大学(State University of New York)以及日本国家材料科学研究所(National Institute for Materials Science)的研究人员，他们成功打造出量子光源，可望为未来的光学电路发展铺路。
研究人员以几纳米(nm)的精度，将光源准确地放置在原子级的材料薄层中，使其得以实现多种量子技术应用，包括从智能型手机的量子传感器和晶体管，到用于数据传输的新式加密技术。
相较于芯片上的电路依靠电子作为信息载体，以光速传输信息的光子则将在光学电路上完成这项任务。届时，光源将会连接量子光纤电缆与探测器，从而形成这种新芯片的基本建构模块。
“这是迈向光学量子计算机发展的关键性第一步。”这项研究的第一作者Julian Klein表示：“因为对于未来的应用而言，光源必须与光子电路(例如波导)耦合，才能实现基于光的量子计算。此外，我们已经能将量子光源非常完美地整合到光子电路了。”
其关键之处在于必须确实且精确地控制与设置光源。研究人员目前已能在诸如金刚石或硅的传统三维(3D)材料中创造量子光源，但还无法将量子光源精确地放置在这些材料中。
研究人员在其于《自然通信》(Nature Communications)发表的论文中介绍，他们采用仅3个原子厚度的半导体二硫化钼(MoS2)作为原始材料层，然后再以氦离子束照射并聚焦于小于1nm表面积上。为了产生具有光学活性的缺陷，即所期望的量子光源，必须将钼或硫原子精确地轰锤出该层来。这些缺陷就是所谓激子、电子空穴对的陷阱，将会发射所期望的光子。

以氦离子轰击而在二硫化钼层产生的缺陷，可以作为量子技术的纳米光源。 （来源：Christoph Hohmann/MCQST）
在这一过程中的关键设备是慕尼黑工业大学肖特基学院(Walter Schottky Institute)纳米技术和纳米材料中心的新型氦离子显微镜，它能以无与伦比的横向分辨率照射这种材料。
包括TUM、马克斯普朗克学会以及不来梅大学的研究人员还共同开发了一个理论模型，描述在缺陷处所观察到的能量状态。未来，研究人员们希望打造一种更复杂的光源模式，例如2D晶格结构，以研究多激子现象或特殊材料的特性。

光子二极管实现下一代计算与通信

另一方面，美国斯坦福大学的研究人员开发出一种纳米级光子二极管，其尺寸小到足以集成到消费电子器件，让我们得以朝着以光取代电的更快速、更节能的计算机和通信迈进。如同研究人员在《自然通信》期刊发表的论文中所强调，实现紧凑、高效率的光子二极管对于打造下一代计算、通信甚至能量转换技术至关重要。
斯坦福大学材料科学与工程副教授兼该论文的资深作者Jennifer Dionne说：“二极管普遍用于当今的电子产品，从发光二极管(LED)到太阳能电池(基本上与LED的原理相反)，以及用于计算和通信的IC等。”
Lawrence说：”我们的愿景在于拥有一台全光学的计算机，可完全由光取代电，并以光子驱动更快速且高效率的信息处理。提高光的速度和带宽可以更快速地解决一些最困难的科学、数学和经济问题。”
基于光的二极管主要面临双重挑战——一是让光线仅沿着一个(向前)方向运动，打破所谓的“时间反转对称性”；其次，光比电更难操控，因为光没有电荷。以往，其他研究人员解决这些挑战的方式是让光线通过偏振器(让光波以一致的方向振荡)，然后再通过磁场中的晶体材料，旋转光的偏振。最后，与该偏振相匹配的偏振器以近乎完美的透射率引导光线传播。如果光以相反方向穿过组件，那么就无法引导出光线。
Lawrence描述了这种三器件装置的单向动作，称为“法拉第隔离器”，类似于搭乘在两扇门之间移动的人行道，人行道在此可发挥磁场的作用。即使你试图倒退通过后面那扇门，该“人行道”通常会阻挡你到达第一扇门。

光束取代磁场以产生旋转

为了产生足够强大的光偏振旋转，这些二极管必须相对较大——但太大又不适用于消费类计算机或智能手机中。Dionne和Lawrence提出使用另一种光束(取代磁场)在晶体中创造旋转的方法，以作为替代方案。该光束在偏振后，使其电场呈现螺旋运动，进而在晶体中产生旋转的声波振动，使其具有类似磁场的旋转能力，并导出更多的光线。为了打造既小型且高效的结构，该实验室开发出利用微小纳米天线和“超颖表面(metasurface)”纳米结构材料以操纵和放大光线的专有技术。
研究人员并设计了一系列超薄芯片，它们成对地工作以捕捉光线并增强其螺旋运动，直到导出光线。这导致了前向的高速传输。而当向后方向照明时，声波以相反方向旋转振动，并有助于抵消任何试图退出的光。理论上，对于系统可以变得多小并没有限制。针对其仿真任务，研究人员想象该结构可以薄至仅250nm。

影响神经形态计算

研究人员特别感兴趣的是，他们的想法如何影响类脑计算机或神经形态计算机发展。这一目标还需要纳米级光源和开关等其他基于光的器件也进一步发展。

Dionne说：“我们的纳米光子器件让我们得以仿真神经元的计算方式——赋予计算具有与大脑相同的高度互连和能量效率，但大脑的指令周期要快得多。”Lawrence则补充道，“我们尚未发现经典或量子光学计算以及光学信息处理的极限。总有一天，我们将能开发出全光学芯片，它能够完成电子产品所能执行的每一项任务，甚至更加超越。”