新型光驱动芯片有望加速人工智能和量子计算

莫纳什大学的科学家们创造了一种新型微型电路，能够在一个单一芯片内产生、引导和读取由光携带的信息。这项进展标志着名为“谷电子学”的研究领域迈出了重要一步，有望推动更快计算、更低能耗和量子技术的未来突破。

该器件由莫纳什物理与天文学院的研究人员开发，结合了先进的纳米技术与前沿材料，解决了多年来限制该领域发展的一个挑战。研究团队首次构建了一个完全集成的芯片，能够生成特定的光信号、沿特定路径引导这些信号，并在同一紧凑系统内将其转换为电信号。

这些信号利用一种称为“谷自由度”的量子属性来存储信息。科学家认为，这种独特特性可能提供全新的编码、传输和处理数据的方式。

集成谷电子芯片解决长期挑战

首席作者迟力博士表示，这项成就解决了谷电子学研究中的一个主要障碍。他说：“直到现在，我们只能产生或探测这些信号，但无法在一个集成设备中完成所有操作。我们构建的是一个完整的片上系统，能够以非常高的精度创建、路由和读取这些信息。”

该器件依赖于仅有几个原子厚的超薄材料，并与专门设计的纳米结构配对，用于在极小的尺度上精确控制光。共同第一作者、莫纳什大学研究员邢凯舰博士解释说，团队开发了一种组合这些组件的实用方法：“我们采用了一种直接的堆叠方法，将超薄材料与超表面集成，克服了直接在光子结构上生长材料的技术挑战，并促进了谷电子学的进一步发展。”

室温光子技术

该技术最重要的优势之一是它在室温下运行。许多量子系统需要极冷的环境，这使得它们在实际应用中更加困难和昂贵。资深作者、ARC未来学者、莫纳什纳米Meta组负责人任浩然博士表示，这项工作可以为新一代紧凑型光子器件铺平道路，这些器件既可编程又高效。

据任博士称，该技术可以支持更快的计算系统，降低能耗，并为安全通信和高级数据处理提供新方法。“这是向可扩展的、基于芯片的技术迈出的重要一步，这些技术使用光而不是电来处理信息，”任博士说，“光子器件利用光实现巨大的带宽、超快的数据传输速度和更低的能耗，因此我们取得的成果在量子计算、先进成像和下一代光通信系统方面具有巨大的应用潜力。”

处理多路信息流

为了展示芯片的能力，研究人员成功编码并处理了两幅独立的图像。实验表明，该设备可以同时管理多路信息流，这是未来计算技术的重要特征。莫纳什物理与天文学院院长、纳米光子学实验室负责人斯特凡·A·迈尔教授表示，这一发展有助于弥合基础科学发现与实用技术之间的鸿沟。“这是向完全集成的谷电子系统迈出的重要一步，”迈尔教授说，“通过将光和量子材料结合在芯片上，我们可以获得编码和处理信息的新方法。”

这项国际合作项目汇集了来自澳大利亚、中国、新加坡、德国和日本的研究人员，结合了纳米光子学、二维材料和光电子学领域的专业知识。