用晶體管制造的邏輯門(mén)能夠進(jìn)行與非運(yùn)算

超快光學(xué)計(jì)算現(xiàn)在能夠與傳統(tǒng)電路相連接。

用晶體管制造的邏輯門(mén)能夠進(jìn)行“與”“或”“非”等運(yùn)算。近幾十年來(lái)，科學(xué)家一直在嘗試打造與電子門(mén)對(duì)應(yīng)的光邏輯門(mén)。2022年12月9日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)新研究讓我們距離光計(jì)算更近了，該研究還提出了一種很有前景的方法，將光計(jì)算與傳統(tǒng)電子電路相連接。

該論文的第一作者、芬蘭阿爾托大學(xué)的研究員張毅（Yi Zhang，音）說(shuō)，關(guān)鍵是光的一個(gè)特性：手性。光線向前移動(dòng)時(shí)，可以讓它像螺絲上的螺紋一樣運(yùn)動(dòng)，順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，形成右旋或左旋圓偏振。

為了建造光邏輯門(mén)，張毅和他的同事采用了一層二硫化鉬（一層鉬原子夾在兩層硫原子之間），并將其放在二氧化硅上。然后，研究人員向該邏輯門(mén)照射兩束光束。當(dāng)輸入光束具有相同的手性，即旋向時(shí)，輸出是右旋的；當(dāng)兩個(gè)輸入光束的手性不同時(shí)，輸出光束是左旋的。

這種新器件可以作為同或門(mén)。通過(guò)添加濾波器或其他光學(xué)元件，研究人員打造了與門(mén)、或門(mén)、或非門(mén)、異或門(mén)和與非門(mén)。這些邏輯門(mén)的轉(zhuǎn)換時(shí)間少于100飛秒，大約是電子門(mén)速度的100萬(wàn)倍。此外，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，只要向二硫化鉬施加電壓，就可對(duì)邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)高速電路控制。

“傳統(tǒng)的電計(jì)算和光計(jì)算之間的連接主要是通過(guò)低速且低效的光電轉(zhuǎn)換或電光轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。”張毅說(shuō)，“我們展示了對(duì)手性光邏輯門(mén)的電路控制，實(shí)現(xiàn)了電計(jì)算與光計(jì)算之間直接互連令人激動(dòng)的前景?！?/p>

此外，研究人員還表明，單個(gè)設(shè)備能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)邏輯門(mén)。張毅指出，以前的電邏輯門(mén)和光邏輯門(mén)通常一次只能執(zhí)行一種邏輯運(yùn)算。他說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)表明，同步多手性邏輯門(mén)能夠幫助構(gòu)建復(fù)雜的多功能電路和網(wǎng)絡(luò)。

未來(lái)，研究人員希望在大規(guī)模電路中連接這些邏輯門(mén)，實(shí)現(xiàn)組件的操作“級(jí)聯(lián)”。雖然以前的光邏輯門(mén)在級(jí)聯(lián)時(shí)遇到了重大困難，但張毅表示，理論上，其團(tuán)隊(duì)的設(shè)備應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。

張毅指出，他們面臨的最大挑戰(zhàn)是邏輯門(mén)運(yùn)算基礎(chǔ)的非線性光效應(yīng)的效率非常低。“好消息是，最近報(bào)道了幾種新材料，具有高非線性轉(zhuǎn)換效率?！彼f(shuō)。

審核編輯：劉清