世界上首个基于光偏振特性的超快光子计算处理器

图1 光子计算处理器

牛津大学的研究人员们发明了一种利用光偏振特性和纳米线最大化信息存储密度及计算性能的方法。文章15日发表于Science Advances上。

光有一个有用的特性：不同波长的光之间不会发生相互作用，光纤嫩同时传输并行数据流正是基于这一特性。与之类似地，偏振状态不同的光线之间也不会发生相互作用。因此每种偏振状态都能作为一个独立的信息通道，如果将更多的信息存储于这些不同的通道中，就能够极大地提高信息密度。

本文第一作者、牛津大学材料系博士生June Sang Lee说：“相对于电子学，光子学所广为人知的优势在于：光的速度快、功能更多，覆盖的带宽更广。因此，我们的目标是充分利用光子技术的优势，将其与可调谐材料相结合，以实现更快、密度更高的信息处理。”

研究团队与埃克塞特大学的C. David Wright教授合作开发了一种杂化有源介质（hybridized-active-dielectric, HAD）纳米线，这种纳米线中使用了一种杂化玻璃材料，在光脉冲照射下可切换材料性质；每条纳米线都对特定的偏振方向选择性响应，因此能利用不同的偏振态同时对信息进行处理。

研究人员基于这一概念开发了世界上首个利用光偏振态的光子计算处理器。光子计算由多个偏振通道同时进行，计算密度比传统电子芯片提高了几个数量级。且由于这些纳米线由纳秒级光脉冲调制，计算速度更快。

图2 能够根据光线偏振态选择性开关的杂化纳米线

自1958年首个集成电路发明以来，在给定尺寸的电子芯片上集成更多数量的晶体管就是最大限度提高计算密度的常用手段——这就是 “摩尔定律”。然而，随着人工智能和机器学习技术的发展，对特殊硬件的需求增加，开始挑战现有计算的边界。目前电子工程领域的主要问题变成了“如何在单个晶体管中集成更多的功能？”

图3 杂化有源介质（hybridized-active-dielectric, HAD）纳米线基于偏振，选择性开或关，实现了并行光子计算

十多年来，牛津大学材料系Harish Bhaskaran教授实验室的研究人员一直在研究基于光的计算。领导此项工作的Bhaskaran教授说：“目前的研究工作只是我们所追求目标的第一步。最终的目标是利用光偏振等所有自由度，最大程度上提速并行信息的处理过程。目前的工作仍然只是开始，但这一研究思路结合了电子学、非线性材料和计算领域，非常振奋人心。未来将有更广阔的可能等待探索，将吸引我们持续探索下去。”

文章见：June Sang Lee et al, Polarization-selective reconfigurability in hybridized-active-dielectric nanowires, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn9459. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn9459。