光子材料可实现超快的光基计算

中佛罗里达大学的研究人员正在开发新的光子材料，这些材料有朝一日可能被用来实现超快、低功率的光基计算。这种独特的材料被称为拓扑绝缘体，类似于被翻转过来的电线，绝缘体在里面，而电流沿着外部流动。

为了避免今天越来越小的电路所遇到的过热问题，拓扑绝缘体可以被纳入电路设计中，以便在不产生热量的情况下将更多的处理能力装入特定的区域。

研究人员的最新研究于4月28日发表在《自然-材料》杂志上，提出了一种制造材料的全新工艺，该工艺利用了独特的链状蜂巢晶格结构。研究人员用激光在一块二氧化硅上蚀刻了这种相连的蜂窝状图案，这种材料通常用于创建光子电路。

该设计的节点使研究人员能够在不弯曲或拉伸光子线的情况下调节电流，而这是在电路中引导光的流动，从而引导信息的需要。

新的光子材料克服了当代拓扑设计的缺点，这些设计提供了较少的功能和控制，同时通过最小化功率损失支持信息包更长的传播长度。

研究人员设想，由双态拓扑绝缘体引入的新设计方法将导致脱离传统的调制技术，可以使基于光的计算技术离现实更近一步。

拓扑绝缘体有朝一日也能带来量子计算的进步，因为它们的特性可以用来保护和驾驭脆弱的量子信息比特，从而使处理能力比今天的传统计算机快上亿倍。研究人员利用先进的成像技术和数值模拟证实了他们的发现。

加州大学光学和光子学学院的博士后研究员、该研究的主要作者Georgios Pyrialakos说："双态拓扑绝缘体在光子电路的设计中引入了一个新的范式转变，使光包的安全传输损失最小。"

该研究的下一步包括在晶格中加入非线性材料，这些材料可以实现对拓扑区域的主动控制，从而为光包创建定制的路径，UCF光学和光子学学院的教授和研究的共同作者Demetrios Christodoulides表示。

该研究由美国国防部高级研究计划局、海军研究办公室多学科大学倡议、空军科学研究办公室多学科大学倡议、美国国家科学基金会、西蒙斯基金会数学和物理科学部、W. M. 凯克基金会、美国-以色列两国科学基金会、美国空军研究实验室、德国研究基金会以及Alfried Krupp von Bohlen和Halbach基金会资助。

研究作者还包括罗斯托克大学的Julius Beck、Matthias Heinrich和Lukas J. Maczewsky；南加州大学的Mercedeh Khajavikhan；以及罗斯托克大学的Alexander Szameit。

Christodoulides在约翰霍普金斯大学获得光学和光子学博士学位，并在2002年加入加州大学。Pyrialakos在希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学获得光学和光子学博士学位，并于2020年加入UCF。