儘管我們經常聽到業界不斷挑戰半導體製程技術極限,以滿足越來越高的運算性能要求,如今,光學電路也正發展成為因應這項挑戰的另一種潛在途徑。

最近有兩項關於這個主題的研究引起了我的注意,一是由德國慕尼黑工業大學(Technical University of Munich;TU München)為主導的研究,可望為量子感測器和電晶體鋪路;另一項研究來自美國史丹佛大學(Stanford University),致力於探討光子二極體如何影響採用光元件的神經形態運算發展。

儘管這兩項研究目前仍處於實驗階段,但我認為仍值得關注,以便有助於我們了解如何在人工智慧(AI)等許多應用中解決高性能運算需求的問題。

量子光源照亮量子感測器和電晶體

由慕尼黑工業大學主導的這項研究集結了來自德國、美國和日本的物理學家,包括馬克斯普朗克量子光學研究所(Garching)、不來梅大學、紐約州立大學(State University of New York)以及日本國家材料科學研究所(National Institute for Materials Science)的研究人員,他們成功打造出量子光源,可望為未來的光學電路發展鋪路。

研究人員以幾奈米(nm)的精度,將光源準確地放置在原子級的材料薄層中,使其得以實現多種量子技術應用,包括從智慧型手機的量子感測器和電晶體,到用於資料傳輸的新式加密技術。

相較於晶片上的電路依靠電子作為資訊載體,以光速傳輸資訊的光子則將在光學電路上完成這項任務。屆時,光源將會連接量子光纖電纜與探測器,從而形成這種新晶片的基本建構模組。

「這是邁向光學量子電腦發展的關鍵性第一步。」這項研究的第一作者Julian Klein表示:「因為對於未來的應用而言,光源必須與光子電路(例如波導)耦合,才能實現基於光的量子計算。此外,我們已經能將量子光源非常完美地整合到光子電路了。」

其關鍵之處在於必須確實且精確地控制與設置光源。研究人員目前已能在諸如金剛石或矽的傳統三維(3D)材料中創造量子光源,但還無法將量子光源精確地放置在這些材料中。

研究人員在其於《自然通訊》(Nature Communications)發表的論文中介紹,他們採用僅3個原子厚度的半導體二硫化鉬(MoS2)作為原始材料層,然後再以氦離子束照射並聚焦於小於1nm表面積上。為了產生具有光學活性的缺陷,即所期望的量子光源,必須將鉬或硫原子精確地轟錘出該層來。這些缺陷就是所謂激子、電子電洞對的陷阱,將會發射所期望的光子。

Quantum Light Source

以氦離子轟擊而在二硫化鉬層產生的缺陷,可以作為量子技術的奈米光源。
(來源:Christoph Hohmann/MCQST)

在這一過程中的關鍵設備是慕尼黑工業大學蕭特基學院(Walter Schottky Institute)奈米技術和奈米材料中心的新型氦離子顯微鏡,它能以無與倫比的橫向解析度照射這種材料。

包括TUM、馬克斯普朗克學會以及不來梅大學的研究人員還共同開發了一個理論模型,描述在缺陷處所觀察到的能量狀態。未來,研究人員們希望打造一種更複雜的光源模式,例如2D晶格結構,以研究多激子現象或特殊材料的特性。

光子二極體實現下一代運算與通訊

另一方面,美國史丹佛大學的研究人員開發出一種奈米級光子二極體,其尺寸小到足以整合至消費電子元件,讓我們得以朝著以光取代電的更快速、更節能之電腦和通訊邁進。如同研究人員在《自然通訊》期刊發表的論文中所強調的,實現緊湊、高效率的光子二極體對於打造下一代運算、通訊甚至能量轉換技術至關重要。

史丹佛大學材料科學與工程副教授兼該論文的資深作者Jennifer Dionne說:「二極體普遍用於當今的電子產品中,從發光二極體(LED)到太陽能電池(基本上與LED的原理相反),以及用於運算和通訊的IC等。」

Lawrence說:「我們的願景在於擁有一台全光學的電腦,可完全由光取代電,並以光子驅動更快速且高效率的資訊處理。提高光的速度和頻寬可以更快速地解決一些最困難的科學、數學和經濟問題。」

基於光的二極體主要面臨雙重挑戰——一是讓光線僅沿著一個(向前)方向運動,打破所謂的「時間反轉對稱性」;其次,光比電更難操控,因為光沒有電荷。以往,其他研究人員解決這些挑戰的方式是讓光線通過偏振器(讓光波以一致的方向振盪),然後再通過磁場中的晶體材料,旋轉光的偏振。最後,與該偏振相匹配的偏振器以近乎完美的透射率引導光線傳播。如果光以相反方向穿過元件,那麼就無法引導出光線。

Lawrence描述了這種三部份裝置的單向動作,稱為「法拉第隔離器」,類似於搭乘在兩扇門之間移動的人行道,人行道在此可發揮磁場的作用。即使你試圖倒退通過後面那扇門,該「人行道」通常會阻擋你到達第一扇門。

光束取代磁場以產生旋轉

為了產生足夠強大的光偏振旋轉,這些二極體必須相對較大——但太大又不適用於消費者的電腦或智慧型手機中。Dionne和Lawrence提出使用另一種光束(取代磁場)在晶體中創造旋轉的方法,以作為替代方案。該光束在偏振後,使其電場呈現螺旋運動,進而在晶體中產生旋轉的聲波振動,使其具有類似磁場的旋轉能力,並導出更多的光線。為了打造既小型且高效的結構,該實驗室開發出利用微小奈米天線和「準表面」(metasurfaces)奈米結構材料以操縱和放大光線的專有技術。

研究人員並設計了一系列超薄晶片,它們成對地工作以擷取光線並增強其螺旋運動,直到導出光線。這導致了前向的高速傳輸。而當向後方向照明時,聲波以相反方向旋轉振動,並有助於抵消任何試圖退出的光。理論上,對於系統可以變得多小並沒有限制。針對其模擬任務,研究人員想像該結構可以薄至僅250nm。

影響神經形態運算

研究人員特別感興趣的是,他們的想法如何影響類大腦的電腦或神經形態電腦發展。這一目標還需要奈米級光源和開關等其他基於光的元件也進一步發展。

Dionne說:「我們的奈米光子元件讓我們得以模擬神經元的運算方式——賦予運算具有與大腦相同的高度互連和能量效率,但大腦的運算速度更快得多。」Lawrence則補充道,「我們尚未發現經典或量子光學運算以及光學資訊處理的極限。總有一天,我們將能開發出全光學晶片,它能夠完成電子產品所能執行的每一項任務,甚至更加超越。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Optical Advances Pave Way for Quantum Sensors and Computing,by Nitin Dahad)