光子材料可實現超快的光基計算

中佛羅里達大學的研究人員正在開發新的光子材料，這些材料有朝一日可能被用來實現超快、低功率的光基計算。這種獨特的材料被稱為拓撲絕緣體，類似于被翻轉過來的電線，絕緣體在里面，而電流沿著外部流動。

為了避免今天越來越小的電路所遇到的過熱問題，拓撲絕緣體可以被納入電路設計中，以便在不產生熱量的情況下將更多的處理能力裝入特定的區域。

研究人員的最新研究于4月28日發表在《自然-材料》雜志上，提出了一種制造材料的全新工藝，該工藝利用了獨特的鏈狀蜂巢晶格結構。研究人員用激光在一塊二氧化硅上蝕刻了這種相連的蜂窩狀圖案，這種材料通常用于創建光子電路。

該設計的節點使研究人員能夠在不彎曲或拉伸光子線的情況下調節電流，而這是在電路中引導光的流動，從而引導信息的需要。

新的光子材料克服了當代拓撲設計的缺點，這些設計提供了較少的功能和控制，同時通過最小化功率損失支持信息包更長的傳播長度。

研究人員設想，由雙態拓撲絕緣體引入的新設計方法將導致脫離傳統的調制技術，可以使基于光的計算技術離現實更近一步。

拓撲絕緣體有朝一日也能帶來量子計算的進步，因為它們的特性可以用來保護和駕馭脆弱的量子信息比特，從而使處理能力比今天的傳統計算機快上億倍。研究人員利用先進的成像技術和數值模擬證實了他們的發現。

加州大學光學和光子學學院的博士后研究員、該研究的主要作者Georgios Pyrialakos說："雙態拓撲絕緣體在光子電路的設計中引入了一個新的范式轉變，使光包的安全傳輸損失最小。"

該研究的下一步包括在晶格中加入非線性材料，這些材料可以實現對拓撲區域的主動控制，從而為光包創建定制的路徑，UCF光學和光子學學院的教授和研究的共同作者Demetrios Christodoulides表示。

該研究由美國國防部高級研究計劃局、海軍研究辦公室多學科大學倡議、空軍科學研究辦公室多學科大學倡議、美國國家科學基金會、西蒙斯基金會數學和物理科學部、W. M. 凱克基金會、美國-以色列兩國科學基金會、美國空軍研究實驗室、德國研究基金會以及Alfried Krupp von Bohlen和Halbach基金會資助。

研究作者還包括羅斯托克大學的Julius Beck、Matthias Heinrich和Lukas J. Maczewsky；南加州大學的Mercedeh Khajavikhan；以及羅斯托克大學的Alexander Szameit。

Christodoulides在約翰霍普金斯大學獲得光學和光子學博士學位，并在2002年加入加州大學。Pyrialakos在希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學獲得光學和光子學博士學位，并于2020年加入UCF。