“微型低能耗设备 可快速重新路由计算机芯片中的光”

美国标准技术研究院( nist )的研究人员及其同事开发了一种光开关，将光从一个计算机芯片传输到另一个计算机芯片。 速度为二十亿分之一秒，比其他同类设备更快。 紧凑型开关是第一个在足够低的电压下工作，以集成到廉价的硅片上，并以非常低的信号损耗重新定向光的开关。

这种开关具有创纪录的性能是构建用光而不是电来解决新闻的计算机的重要新步骤。 光子-光子-在计算机内传输数据比电子通信有很多特点。 光子的传输比电子快，不会因为加热计算机组件而浪费能量。 管理废热是提高计算机性能的首要障碍。 几十年来，光信号已经采用光纤远距离传输新闻，但光纤占用的空间隔太大，无法用于入住计算机芯片发送数据。

新型开关由纳米级金、硅光学、电气和机械部件组合而成，所有部件密集封装，将光引导至微通道进出，改变其速度，改变其行进方向。 (一纳米等于一米的十亿分之一，也就是人头发宽度的十分之一。 nist领导的国际集团今天在《科学》杂志上在线说明了该设备。

nist、苏黎世联邦理工大学和马里兰大学的研究合作者克里斯蒂安·哈夫纳指出，该装置有各种各样的应用。 在无人驾驶的汽车上，这个开关可以更快地重定向各个梁。 该光束需要连续扫描道路的所有部分，以测量与其他车辆和行人的距离。 该装置还可以方便地在神经互联网上采用更强的基于光的电路来代替基于电的电路。 这些是人工智能系统，可以模拟人脑中的神经元是如何做出模式识别和风险管理等许多复杂任务的决策的。

新技术还采用了较少的能量来重定向光信号。 这个功能可能有助于实现量子计算的梦想。 量子计算机解决存储在专门准备的亚原子对之间微妙关系中的数据。 但是，这些关系非常脆弱，需要让计算机在极低温和低功率下工作，以尽量避免正确的粒子受到干扰。 与以往的光开关不同，新光开关需要的能量少，因此成为量子计算机不可缺少的部分。

haffner和他的同事(包括nist的vladimir aksyuk和henri lezec )说，他们的发现可能会让科学界的许多人感到意外。 因为，结果违背了长久以来的信念。 一位研究人员认为，光电开关体积大，操作速度太慢，同时所需电压太高，计算机芯片的组件无法承受，因此不现实。

开关利用了光波的特征。 两个相同光波相遇后，一个波峰对齐，或者加强另一个波峰，可以形成被称为相长干涉的明亮图案。 这两个波可能不完全同步，因为一个波谷抵消另一个波峰，产生暗模式-破坏性干扰。

在队伍的设置中，光束被限制在被称为波导的管状通道——微型高速公路内的传输。 这条直线高速公路被设计成灯-一点光进入跑道形状的空洞中(蚀刻距离只有几纳米)，可以蚀刻到硅片中。 如果光的波长正确，在离开硅腔之前，在跑道周围多次鞭打。

交换机还有另一个重要的组成部分。 是挂在硅磁盘上几十纳米处的金膜。 进入硅课程的光线中，有些会泄漏并撞击膜，引起膜表面的电子群振动。 这些振动被称为等离子体激元，是光波和电子波的混合。 振动的电子类似于入射的光波。 虽然以同样的频率振动，但波长要短得多。 短波长允许研究人员在将振动转换为光之前，以纳米级的距离控制等离子体激元，该距离远远小于原始光波的长度。 这又使光开关保持极为紧凑。

硅片与金膜之间的间隙宽度只改变几纳米，可以延迟或推进混合光波的相位-混合光到达峰值或山谷的时间点。 研究小组通过静电弯曲金膜实现了间隙宽度的微小变化，从而大幅改变了相位。

根据队伍前进或延迟波的相位，如果波仍与沿管状高速公路传播的光重新组合，则两束光会受到较长的干涉或干涉(请参见动画)。 如果光束一致，产生长干涉，光就会继续向原来的方向传播，沿着灯向下传播。 但是，如果波束消除干扰，互相抵消，其路径就会被阻塞。 相反，光必须向其他方向移动。 该方向由靠近阻塞路径放置的其他波导或路径的方向明确。 这样可以自由地将光切换到数百个其他计算机芯片中的一个。

科学家曾认为等离子体系统会大幅衰减光信号。 因为光子透过金膜的内部，电子在那里吸收大量的光能。

但是研究者现在解释了这个假设是错误的。 由于确保了该装置的紧凑性和几乎没有光子透过膜的设计，光信号损失只有2.5%，而以前的开关只有60%。 虽然仍是原型，但这允许该开关用于商业应用。

这个团队现在通过缩短硅片和金膜之间的距离来缩小设备。 这将进一步减少信号损耗，使该技术对工业更具吸引力。

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