普渡大學(xué)團隊實現(xiàn)了一項期待已久的突破，成功演示了在單光子強度下運行的光子晶體管。圖片來源：美國普渡大學(xué)

美國普渡大學(xué)研究團隊實現(xiàn)了單光子層面精準(zhǔn)控制光束，并以此研發(fā)出一種能在單光子強度下工作的“光子晶體管”，這是實現(xiàn)光基技術(shù)全部潛力的關(guān)鍵一步，可為光子芯片研發(fā)與量子計算研究鋪平道路。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然-納米技術(shù)》期刊上。

從光纖通信到量子傳感器，光子技術(shù)支撐著數(shù)字世界的運行。而隨著對更快、更高效計算和通信系統(tǒng)的需求不斷增長，能夠在單光子層面精準(zhǔn)控光，無疑是邁向光子時代的至關(guān)重要的一步。

長久以來，科學(xué)家一直難以實現(xiàn)用單個光子去控制另一束光，因為這就像用一根火柴去點燃一盞探照燈，聽起來幾乎不可能。

此次突破的核心在于，它能讓一個微弱到只有一個光子的控制光束，去調(diào)制或開關(guān)一束強大的探測光。在此之前，傳統(tǒng)材料的光學(xué)非線性效應(yīng)非常微弱，通常需要極高功率的激光才能讓兩束光相互作用。鑒于此，研究團隊巧妙地利用了商業(yè)單光子探測器中常見的“雪崩倍增”原理，當(dāng)一個光子撞擊硅片時，會像引發(fā)雪崩一樣產(chǎn)生多達100萬個電子，從而將微弱的量子信號放大成宏觀上可測量的電流。利用這一過程，團隊實現(xiàn)了光束間的巨大非線性效應(yīng)，讓單個光子擁有了控制宏觀光束的能力。

該成果優(yōu)勢顯著。在此基礎(chǔ)上誕生的光子晶體管，能在室溫下穩(wěn)定工作，不像其他依賴量子系統(tǒng)的方案那樣需要極低溫環(huán)境。它能與現(xiàn)有的互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容，這意味著其可以無縫集成到當(dāng)前的芯片制造流程中，為未來光子芯片打下基礎(chǔ)。此外，它的運行速度極快，可達吉赫茲級別，甚至有望提升到數(shù)百吉赫茲，遠超現(xiàn)有方法。

團隊表示，初期使用的仍是商用單光子雪崩二極管，未來他們計劃設(shè)計專門優(yōu)化的器件，以進一步提升性能。

這項技術(shù)不僅有望推動量子計算的發(fā)展，更可能在經(jīng)典計算領(lǐng)域引發(fā)變革，例如用于構(gòu)建超高速、低功耗的光子計算機，或在數(shù)據(jù)中心和光通信系統(tǒng)中取代更慢、更耗電的電子設(shè)備。