光学器件微调光

　　斯坦福大学的研究人员开发出一种光学器件，它能够对光流中单个光子的频率进行微调和改变，几乎可以合成到任何颜色。新的光子结构对数字通信，人工智能以及量子计算等领域具有潜在的应用和重大影响。该结构由一条低损光纤组成，可类比为一种高速公路，光子类似于汽车。然后，光子进入一系列环路，这类似于高速公路立交桥的出口匝道。每个环都有一个调制器，可改变传递光子的频率。这个器件可以设计尽可能多的环路，工程师能够精细地控制调制器来达到所需的频率转换。

　　

　　"这种强大的新工具将极大程度的增加工程师对光控制的自由度，这在以前是不可能的，"发表这项研究论文的资深作者、斯坦福大学电子工程学教授Shanhui Fan说。光子的颜色由光子共振的频率决定，频率又是其波长的一个因素。例如，红色光子的频率相对较低，波长约为 650 nm。蓝色光子的频率要高得多，波长约为 450 nm。例如，使用此技术进行简单转换可以实现将光子波长500 nm 转到 510 nm。正如人眼所看到的那样，这个改变是光的颜色从青色转变到绿色。

　　

　　该系统能够进行更复杂和精密的转换； Fan举了一例子来解释，一个由 20% 光子组成的入射光流，该光流在 500nm 范围内以及在 510 nm 范围内由 80% 光子组成。有了这种新器件，工程师可以在500纳米微调到73%和在510纳米微调到27%，同时保持光子总数。就这一点而言，这一比例也可以到达37%和63%。在量子应用中，单个光子可能具有多种颜色，该器件也可以更改这些颜色的比例。"我们说这种器件允许‘任意转换’，但这并不意味着‘随机'，"论文的第一作者、Fan实验室的研究生Siddharth Buddhiraju说。他现在在脸谱虚拟实现实验室（Facebook Reality Labs）工作。"相反，我们的意思是，我们可以实现工程师所需的任何线性转换。这里有大量的工程控制。"

　　

　　研究人员设想的应用包括人工智能的光学神经网络，该网络利用光而不是电子进行神经计算。创建光学神经网络的现有方法实际上不会改变光子的频率，而只是重新路由单个频率的光子。研究人员说，通过频率操纵进行这种神经计算可以实现更紧凑的器件。这项研究发表在《Nature Communications》上(www.doi.org/10.1038/s41467-021-22670-7).