美国研究团队攻克光子计算领域关键难题
美国宾夕法尼亚大学研究团队攻克了光子计算领域关键难题：创造出一种可进行计算的混合光物质粒子，首次实现了计算所需的全光信号切换。
 日前，美国宾夕法尼亚大学研究团队创造出一种可进行计算的混合光物质粒子，首次实现了计算所需的全光信号切换。这一突破为未来超高速、低能耗的AI硬件乃至量子计算芯片奠定了物理基础。相关研究论文发表在最新一期《物理评论快报》上。  混合粒子结合了光的传输速度与物质的相互作用能力，实现了光信号的切换。 光子因其高速、低损耗的特性主导了现代通信，但其弱相互作用性一直是计算应用的短板。这项研究通过将光与原子级薄半导体材料中的电子强耦合，形成了被称为“激子—极化子”的混合粒子。该粒子兼具光的高速传播特性与物质的强相互作用能力，从而克服了传统光子难以进行逻辑运算的关键障碍。 研究团队在实验中演示了基于激子—极化子的全光开关操作，其单次切换能耗仅为约4飞焦耳（4×10-15焦耳），能量消耗极低。这一突破对于AI硬件发展具有特殊意义。目前多数光子AI芯片虽能用光执行线性计算，但在执行非线性激活函数等关键决策步骤时，仍需将光信号转换回电子信号，这种反复转换过程严重制约了光子计算的速度与能效优势。新方案有望实现从光输入到光处理的全流程光子计算，避免信号转换带来的损耗。 当前，随着AI对算力需求的爆炸式增长，电子器件的物理极限日益凸显：电子因携带电荷而产生电阻和热量，高密度集成与大数据处理面临功耗与散热挑战。光子作为电子的无质量、电中性 伙伴，在通信领域已占据主导，但其与环境相互作用极弱的特性，长期以来阻碍了其在计算逻辑中的应用。 此次，团队的工作正是为了突破这一瓶颈。他们构建的纳米尺度光学腔与原子级薄半导体材料相结合，使光与物质发生强相互作用，产生的激子-极化子准粒子足以执行计算所需的信号开关操作。 该技术若成功规模化，将使计算芯片能够直接处理来自摄像头等传感器的光信号，大幅降低大型AI系统的功耗，并为在芯片上实现基础的量子计算操作提供可能路径。 相关链接：https://dx.doi.org/10.1103/gc15-qsvf |
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