研究人员利用水凝胶实现光学计算

几十年来，科学家一直在尝试建造使用光而不是电流来处理信息的计算机。其中最大的障碍之一是找到一种合适的非线性工艺来实现等效于晶体管开关的光学开关功能。但是现在美国与加拿大的研究合作人员相信它们可能找到了答案——一种特殊设计的凝胶，它可以使相当弱的激光束引导自己并与其他距离较远的光束相互作用（PNAS，doi：10.1073 / pnas.1902872117）。

由于一项新研究发现水凝胶在两束激光之间起着中介作用，全光计算有一天可能成为现实。[图片： Pixabay]

非线性是数字计算的核心，因为它允许晶体管充当开关，当被小得多的（电）信号激活时就可以传输电流。但是，与电子不同的是，光子之间不会自然地相互作用。为了解决这个问题，研究人员一直在研究用作激光束之间中介的材料，以试图建立一台全光计算机，该计算机可以以光子的形式存储，传输和处理数据。 在最新的研究工作中，美国马萨诸塞州哈佛大学和加拿大安大略省麦克马斯特大学的科学家向一种被称为水凝胶的充满水的聚合物网膜中发射了激光束，这种聚合物网膜还包含光敏分子。这种创新思想的出发点是通过光学诱导化学反应，将水从材料中排出，从而导致聚合物网络收缩并变得更致密。这将在光束的路径中产生较高的折射率，而在光束的路径外部产生较低的折射率，从而形成一个不断聚集光束并提高其强度的波导——只需打开光束即可启动正反馈环路。从理论上对这种行为进行建模后，研究人员随后在实验中对其进行了观察。他们发现，只有几毫瓦功率的绿色激光束穿过直径4毫米厚的水凝胶样品时会开始显著扩散，其直径从20微米增加到120微米。但是在50秒内，由于形成了波导，光束的峰值强度上升了20倍，并且光束在出口处的直径下降到仅有40微米。再过200秒，它的强度又增加了两倍，而宽度又回落到20微米，这意味着几乎没有发散。

至关重要的是，这项研究还发现，两个激光束在凝胶样品的不同点处穿过凝胶，会彼此影响形成波导的能力。当光束之间的距离仅为25微米时，它们的峰值强度上升的幅度不超过5倍，也说明了他的正确性。但是还存在一种情况，也就是当它们彼此之间没有直接接触时，即使在相隔200微米的情况下，它们的最大可能强度也大致降低了一半。研究人员说，这是因为每条光束都增加了其路径中聚合物的密度，但同时降低了更远的密度(（通过将水向外推）。麦克马斯特大学小组成员Kalaichelvi Saravanamuttu表示，光束的相互作用能力可能导致一种不涉及硬连线电路的新型计算形式。她说：“水凝胶在调节这些相互作用方面起着关键作用，而这种相互作用在根本上是令人着迷的。” “从长远来看，我们还可以想象利用这种智能响应能力来设计计算操作。”

研究人员在论文中指出，其50至100秒的开关速度与以纳秒级运行的光电开关没有任何可比性。但是他们说，与非线性光学中使用的一些常规材料相比，他们的技术仍然具有一些优势，包括可重复性，所需的光束功率小以及能够长距离相互作用。他们写道，他们的系统“提供了概念验证，为合理设计其他类型的、响应更快的光色敏水凝胶奠定了基础”。但是并非所有人都相信该技术适合计算。澳大利亚墨尔本大学的电气工程师Rodney Tucker认为，重要的度量标准不是光功率，而是每个信息位的能量。他说，由于时间尺度在几秒钟的量级上，因此需要毫焦耳的能量，他坚持认为这与最佳的光电和电子信号处理设备（分别在皮焦耳和飞焦耳级别运行）相比是很不利的，后者分别在皮焦耳和飞焦耳级别运行。他说：“这里提出的技术需要提高12个数量级才能变得有竞争力。”