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美高校通過非線性材料實(shí)現(xiàn)光波信號的混合 是光子計算機(jī)重要一步

摘要:隨著計算機(jī)計算速度越來越快,功能越來越強(qiáng)大,計算機(jī)也將變得更加強(qiáng)大。當(dāng)前的計算機(jī)系統(tǒng)用電來表示信息的比特,即1和0的二進(jìn)制碼。晶體管等電路的組成器件對這些電信號進(jìn)行操作,產(chǎn)生隨輸入而變化的輸出結(jié)果。而光子計算就是要以光為媒介實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的光子計算機(jī)。

  Iccsz訊 美國賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授Ritesh Agarwal表示,隨著計算機(jī)計算速度越來越快,功能越來越強(qiáng)大,計算機(jī)也將變得更加強(qiáng)大。當(dāng)前的計算機(jī)系統(tǒng)用電來表示信息的比特,即1和0的二進(jìn)制碼。晶體管等電路的組成器件對這些電信號進(jìn)行操作,產(chǎn)生隨輸入而變化的輸出結(jié)果。而光子計算就是要以光為媒介實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的光子計算機(jī)。

  Agarwal對光子計算的研究一直集中于,尋找正確的材料組合和物理配置,以類似于電子計算機(jī)組件的方式實(shí)現(xiàn)光波的放大和混合。

  光波處理實(shí)現(xiàn)方法

  在《自然通訊》(Nature Communication)雜志發(fā)表的一篇論文中,Agarwal及其同事們采取了一種重要方法實(shí)現(xiàn)光波的放大和混合:通過定制的電場精確地控制光信號的混合,并獲得近乎完美的對比度和極大的開/關(guān)比。這些性能是創(chuàng)建工作光學(xué)晶體管的關(guān)鍵。

  “目前,為了計算'5 + 7',我們需要發(fā)送'5'的電信號和'7'的電信號,晶體管進(jìn)行混頻以產(chǎn)生'12'的電信號,”Agarwal說?!坝霉庾鲞@件事的障礙之一是,能夠混合光信號的材料也往往具有非常強(qiáng)的背景信號,背景信號將大大降低對比度和開/關(guān)比,導(dǎo)致輸出中出現(xiàn)錯誤?!?

  由于背景信號削弱了預(yù)期的輸出,所以光學(xué)晶體管的開/關(guān)比、調(diào)制強(qiáng)度和信號混合對比度等指標(biāo)都非常差。而電學(xué)晶體管的這些指標(biāo)都很高,能夠防止錯誤的發(fā)生。

  尋找滿足光學(xué)晶體管指標(biāo)要求的材料比較困難,當(dāng)前只有“非線性”材料才能夠進(jìn)行這種光信號混合。

  為了解決這個問題,Agarwal的研究小組首先找到一個沒有背景信號的系統(tǒng):由硫化鎘制成的納米“帶”。然后,通過在納米帶上施加電場,能夠?qū)⒐鈱W(xué)非線性引入到系統(tǒng)中,使信號混合輸出為零。

  Agarwal說:“我們的系統(tǒng)打開后,輸出能給從零變?yōu)榉浅4蟮闹?,具有完美的對比度,以及大的調(diào)制和開/關(guān)比。因此,我們第一次擁有一個真正類似于電子晶體管的光學(xué)器件?!?

  下一步工作

  光學(xué)器件是光子計算機(jī)的關(guān)鍵組成部分,光子計算機(jī)的下一步研究將是光學(xué)器件的光學(xué)互連,以及與調(diào)制器和檢測器的集成等,逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)際的計算功能。

  參考文獻(xiàn)

  Ming-Liang Ren, Jacob S. Berger, Wenjing Liu, Gerui Liu, Ritesh Agarwal. Strong modulation of second-harmonic generation with very large contrast in semiconducting CdS via high-field domain. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02548-3

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