参考消息网5月27日报道 据西班牙《趣味》月刊网站5月19日报道，几十年来，光子学一直认为有可能在不将信息转化为电能的情况下进行信息处理。美国宾夕法尼亚州的一个研究团队日前证明，只要搭配合适的“伙伴”，光就能实现这一点。

该研究团队创造出了不完全是光也不完全是物质的粒子。要理解这有何特别之处，首先需要知道光子通常互不干扰：在黑暗的房间里让两束光线相交，它们都不会发生哪怕只有一纳米的偏转。由甄博领导的团队最近在美国《物理评论快报》周刊上发表论文称，这些混合粒子仅消耗4飞焦耳的能量就能切换光信号，且在整个过程中从未将其转化为电能。

这些粒子被称为“激子-极化激元”准粒子。当一个光子与一个激子（即“束缚”在半导体上并吸收光线的电子）耦合得非常紧密，以至于两者不再独立存在时，便会产生这种准粒子。它们兼具光子的速度和物质的相互作用能力。为了生成这些粒子，甄博的团队将光限制在纳米级腔体结构中，并使其与仅有一层原子厚度的半导体（即所谓的单层材料）发生相互作用。

激子-极化激元的前景在于结合两者的优势：利用光子的速度进行传输，同时利用电子的交互性进行操作。迄今为止，还没有任何设备能够同时实现这两点。

目前的数据中心中高速传输信息的电路已经利用光在芯片之间进行传输：几十年来，光纤逐渐取代铜缆，因为光子传播速度更快且没有电阻。问题出现在当这些信息需要被处理的时候。光子虽能传输数据，但要对其进行运算，必须先将其转换为电信号，在硅晶体管中执行运算，然后将结果再次转换为光。每次转换都会消耗能量和时间。在每秒执行数十亿次运算的人工智能（AI）服务器中，这种消耗会成倍增加，最终演变为一个规模化难题。

数十年来，教科书中一直在讨论直接利用光处理信息的设想。一直存在的障碍是，在正常条件下，光子之间几乎不会发生相互作用。要构建一个逻辑门，就需要某种机制能够根据另一个信号的状态来开启或关闭信号通道。仅靠光本身，在没有物质辅助的情况下，是无法做到这一点的。

多年来，极化激元一直被视为解决这一问题的候选方案，但过去其生成需要接近绝对零度的温度，且实验室条件难以应用到实际器件上。宾夕法尼亚大学团队的创新之处在于基础材料：可调谐单层半导体，即厚度仅为单个原子的化合物薄膜。该研究证明，将这些材料与高品质光学腔耦合后，可产生稳定的极化激元，其相互作用强度足以实现信号切换。

单层半导体的可调性绝非微不足道。与传统材料不同，这些薄膜允许通过改变温度或施加的电场等参数来调节耦合能量，这意味着开关的操作点可以移动。这为设计具有不同功能的器件提供了可能性，而无需改变其物理架构。

1飞焦耳等于10的负15次方焦耳，这是一个极其微小的能量量级。新一代硅晶体管的切换能量范围在1至数飞焦耳之间，具体取决于技术节点。甄博的团队测得的4飞焦耳将光开关置于与先进电子器件相同的能量范围内，且完全处于纯光学领域，无需任何中间转换步骤。

研究团队还指出了该结果在光子量子计算领域的潜在意义，而在该领域，如何以可控方式使光子相互作用，是尚未解决的关键难题之一。单层半导体极化激元如今有望承担这一功能。当务之急是确定这些结构能否构建简单的逻辑门，以及该系统在实验室环境之外是否表现稳定。

30年来，光子学在信息处理领域提出的可能性远多于实际成果。上述成果虽无法一下子弥补这一差距，但可以证明：只要拥有合适的材料和腔体结构，光就能学会说“不”，且无需借助任何电子的帮助。（编译/刘丽菲）