美高校通过非线性材料实现光波信号的混合 是光子计算机重要一步

  Iccsz讯 美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院教授Ritesh Agarwal表示，随着计算机计算速度越来越快，功能越来越强大，计算机也将变得更加强大。当前的计算机系统用电来表示信息的比特，即1和0的二进制码。晶体管等电路的组成器件对这些电信号进行操作，产生随输入而变化的输出结果。而光子计算就是要以光为媒介实现强大的光子计算机。

  Agarwal对光子计算的研究一直集中于，寻找正确的材料组合和物理配置，以类似于电子计算机组件的方式实现光波的放大和混合。

  光波处理实现方法

  在《自然通讯》(Nature Communication)杂志发表的一篇论文中，Agarwal及其同事们采取了一种重要方法实现光波的放大和混合：通过定制的电场精确地控制光信号的混合，并获得近乎完美的对比度和极大的开/关比。这些性能是创建工作光学晶体管的关键。

  “目前，为了计算'5 + 7'，我们需要发送'5'的电信号和'7'的电信号，晶体管进行混频以产生'12'的电信号，”Agarwal说。“用光做这件事的障碍之一是，能够混合光信号的材料也往往具有非常强的背景信号，背景信号将大大降低对比度和开/关比，导致输出中出现错误。”

  由于背景信号削弱了预期的输出，所以光学晶体管的开/关比、调制强度和信号混合对比度等指标都非常差。而电学晶体管的这些指标都很高，能够防止错误的发生。

  寻找满足光学晶体管指标要求的材料比较困难，当前只有“非线性”材料才能够进行这种光信号混合。

  为了解决这个问题，Agarwal的研究小组首先找到一个没有背景信号的系统：由硫化镉制成的纳米“带”。然后，通过在纳米带上施加电场，能够将光学非线性引入到系统中，使信号混合输出为零。

  Agarwal说：“我们的系统打开后，输出能给从零变为非常大的值，具有完美的对比度，以及大的调制和开/关比。因此，我们第一次拥有一个真正类似于电子晶体管的光学器件。“

  下一步工作

  光学器件是光子计算机的关键组成部分，光子计算机的下一步研究将是光学器件的光学互连，以及与调制器和检测器的集成等，逐步实现实际的计算功能。

  参考文献

  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