長期以來，電晶體，這種在計算機晶片內部翻轉開關的小型器件，一直是電的領域。但科學家們開始開發利用光執行的晶片元件。上週，在馬薩諸塞州劍橋市的麻省理工學院 (MIT) 研究人員領導的團隊報告說，他們製造了一個由單個光子開關的電晶體，這是一項了不起的成就。
通常，光子僅用於傳遞資訊，以無與倫比的速度沿著光纖電纜傳輸。去年12月宣佈的首個包含光學元件的商用矽晶片並沒有對現狀構成什麼挑戰。在紐約州約克鎮高地的 IBM 研究中心開發的該裝置中，板載光束僅在計算機晶片之間傳輸資料。
現在，麻省理工學院的陳文蘭和她的同事們已經教會了光一些新技巧，他們使用懸浮在兩面鏡子之間的冷卻銫原子雲。他們的電晶體預設設定為“開啟”，允許光束暢通無阻地穿過透明的銫雲。但是，由於一種稱為電磁感應透明的效應，傳送單個“門”光子會關閉開關。注入的光子會激發銫原子，使其對試圖穿過雲的光線產生反射（參見“關燈”）。陳說，一個光子可以阻擋大約 400 個其他光子的透過，她在 6 月 7 日在加拿大魁北克市舉行的美國物理學會原子、分子和光學物理學部會議上介紹了這一結果。
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圖片來源：《自然》雜誌
使用弱訊號開啟和關閉強訊號的能力滿足了光學電晶體的關鍵要求。“以前沒有任何東西能接近，”瑞士聯邦理工學院蘇黎世分校的物理學家阿塔奇·伊瑪莫格魯 (Ataç İmamoğlu) 說，他稱這項實驗是“一項真正的突破”。理論上，由觸發光子控制的數百個光子可以擴散並關閉光學電路中的數百個其他電晶體。
憑藉其奇特的原子雲和笨重的裝置，這個概念驗證的電晶體不太可能成為日常計算機中的元件。但它可能是研究光子如何在量子水平上相互作用的有用工具，有可能產生一個量子電晶體，它翻轉的不是像經典計算中的 1 或 0，而是一點模糊的量子資訊。
更實用的光學電晶體於 2012 年 4 月在印第安納州西拉斐特的普渡大學首次亮相，該校的電氣工程師齊明浩製造了一種與半導體行業現有製造技術相容的光學電晶體。“我們裝置的優勢在於它位於矽晶片上，”齊說。
在這種情況下，要開啟和關閉的光束沿著矽中蝕刻的通道進出，該通道位於平行通道旁邊。在兩條軌道之間是一個蝕刻的環。當較弱的光束穿過第二條光路時，環會加熱並膨脹，從而干擾主光束並關閉電晶體。此開關每秒可以翻轉 100 億次。
輸出光束可以擴散並驅動另外兩個電晶體，從而滿足了斯坦福大學的物理學家大衛·米勒 (David Miller) 在 2010 年提出的光學電晶體的既定要求之一。其他標準包括匹配輸出訊號的頻率和輸入頻率，並保持輸出清潔，沒有任何可能導致錯誤的降級。“製造一個真正滿足必要標準的光學電晶體非常困難，”米勒說。
儘管如此，齊並不希望用他的光學類似物來挑戰電子電晶體，後者消耗更多的功率並且執行速度慢得多。“我們希望補充英特爾的電晶體，”他說。“我們不想取代它。”他希望在利基市場找到立足點，例如用於擾亂有線電影片道的裝置和可以從光對電磁攻擊的免疫力中受益的軍事技術。
引導資訊透過網際網路的路由器也可能適用於光學電晶體和開關。目前，網路中的這些停止點將透過光纖電纜傳輸的光訊號轉換為電訊號；然後對其進行處理，轉換回光並繼續傳輸。一個光束將另一個光束推向適當方向的路由器——不涉及任何轉換——原則上可以更快並且消耗更少的能量。
用於這種開關的流行候選者是量子點，這是一種像原子一樣行為的小型半導體晶體。在一種特別敏感的量子點開關中，光束首先沿著一種點綴有孔洞的材料引導，這種材料稱為光子晶體。光線可以透過放置在其路徑中的量子點，而不會改變路線。但是，如果在該光束之前傳送一束光脈衝，則會在點和晶體之間產生相互作用，從而散射該光束並將其傳送到不同的路徑。
馬里蘭大學學院公園分校聯合量子研究所的埃多·瓦克斯及其同事在 2012 年 5 月報道說，當受到 140 個光子的脈衝撞擊時，它會切換。原則上，這足夠小的能量可以與傳統路由器相媲美。
但是，該開關仍然面臨所有這些新興光學技術都面臨的實際障礙。為裝置提供光線的雷射器消耗大量能量，從而抵消了任何節省。“現在，”瓦克斯說，“開銷正在扼殺我們。”