科学家开发出新型光学逻辑门

YI ZHANG/AALTO UNIVERSITY

一项新的研究发现，通过使用基本上螺旋状穿过空间的光波，光学逻辑门的运行速度可以是电子逻辑门的100万倍，从而推动了基于光速的超快计算的发展。它还揭示了光学计算和传统电子计算之间的一种新的、有前途的接口。

现代电子器件从晶体管构建逻辑门，以执行逻辑运算，如AND、OR和NOT。芬兰阿尔托大学（Aalto University）的研究负责人Yi Zhang表示，为了创造更快的电路，科学家们长期以来一直在研究用基于光的光学器件取代电子门。理论上，由于光子以光速传播，而电子则不以光速传播。

在这项新的研究中，研究人员探索了使用一种称为光学手性逻辑门（optical chirality logic gates）的光特性。光束可以像螺丝上的螺纹一样螺旋形，以右旋或左旋圆偏振的方式顺时针或逆时针旋转。（用右手“竖起大拇指”。拇指指向的方向与手指卷曲的方向相比，代表右圆极化波的螺旋方向与其传播方向相比。）

Zhang和他的同事们用一层二硫化钼制造了一道闸门，二硫化钼由一层钼原子夹在二氧化硅上的两层硫原子之间组成。当研究人员在大门处照射两束光束时，输出光束的手性由输入光束的手性决定。当两个输入光束具有相同的手性时，输出光束是右旋的，但当两个入射光束具有不同的手性时输出光束是左旋的。

这种新器件用作一种逻辑门，XNOR。通过添加滤波器或其他光学元件，研究人员创建了剩余的其他类型的逻辑门，如AND、OR、NOR、XOR和NAND。

Zhang说，新逻辑门的运行速度不到100飞秒，大约是电子逻辑门的100万倍。此外，科学家们发现，只要向二硫化钼施加电压，就可以实现对栅极的高速电气控制。

“传统上，电子和光学计算之间的连接主要是通过缓慢且低效的光电转换和电光转换来实现的，”Zhang说，“我们演示了手性光学门的电气控制，实现了电和光学计算之间直接互连的令人兴奋的前景。”

此外，研究人员还表明，单个设备可以同时运行多个门。相比之下，以前的电子门和光学门通常每次只执行一个逻辑操作，Zhang指出。他说，这些发现表明，同时多个手性逻辑门可以帮助构建复杂的多功能电路和网络。

未来，研究人员希望展示他们的手性逻辑门可以执行“级联”，这是一种帮助构建大规模电路的操作。尽管以前的光学门在级联时遇到了很大的困难，但Zhang建议，理论上这应该不是它们的设备的问题。

Zhang指出，他们面临的最大挑战是闸门运行背后的非线性光学效应效率非常低。他说：“好消息是，最近报道了几种具有高非线性转换效率的新材料。”

12月9日，科学家们在《科学进展》杂志上详细介绍了他们的发现。