據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)5月3日報道，美國聯(lián)合量子研究所（JQI）的科學(xué)家最新研制出迄今能耗最低的一款全光開關(guān)。新開關(guān)有望成為光子學(xué)和電子學(xué)“聯(lián)姻”的紐帶，科學(xué)家們可據(jù)此研究出能工作的光電通訊協(xié)議。研究發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。

新開關(guān)能引導(dǎo)光束從一個方向到達(dá)另一個方向，整個過程只需耗費(fèi)120皮秒（120萬億分之一秒），而且能耗僅為90阿焦（即1×10-18焦耳），是目前能耗最低的全光開關(guān)，其能耗僅為此前日本研制出的全光開關(guān)的五分之一，是其他全光開關(guān)的百分之一。科學(xué)家們使用了波長為921納米的近紅外線，約有140個光子。

大多數(shù)電子設(shè)備的核心部件是晶體管，它是一種固體半導(dǎo)體器件，在其中，一個門信號被施加到附近細(xì)小的導(dǎo)電通路上，以此打開和關(guān)閉信息信號的傳送通道。而在光子學(xué)內(nèi)，固體器件全光開關(guān)既能像門一樣，打開或關(guān)閉光通過附近波導(dǎo)的通路；也能像路由器一樣，將不同方向上的光束打開或關(guān)閉。

實(shí)驗(yàn)由馬里蘭大學(xué)的埃多·沃克斯和同事在馬里蘭大學(xué)和國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）進(jìn)行。他們使用置于共振光腔內(nèi)的一個量子點(diǎn)（相當(dāng)于一個門）制造出了該全光開關(guān)。該共振光腔是一個擁有很多小洞的光子晶體，只允許少數(shù)光波通過該晶體。量子點(diǎn)由銦和砷組成，僅為1納米大小，使在其內(nèi)部移動的電子只能散發(fā)出波長不連貫的光。

當(dāng)光沿著附近的波導(dǎo)行進(jìn)時，其中的一些光會進(jìn)入共振光腔內(nèi)，同量子點(diǎn)相互作用，正是這種相互作用改變了波導(dǎo)的傳輸特性。盡管140個光子都需要在波導(dǎo)內(nèi)來產(chǎn)生開關(guān)行為，但其實(shí)只有6個光子做到了。

以前研制出的全光開關(guān)只能通過使用笨重的非線性晶體和高輸入功率來工作。而新開關(guān)使用單個量子點(diǎn)和非常低的輸入功率就獲得了極高的非線性相互作用，不過，盡管其能耗比日本研制出的全光開關(guān)低，但日本的開關(guān)能在室溫下操作，而新開關(guān)只能在40開（-233.15攝氏度）左右工作。

JQI的科學(xué)家拉諾伊·鮑斯表示，該量子點(diǎn)開關(guān)還不能完全算是一個“光學(xué)晶體管”，目前還只能使用低光子數(shù)量脈沖來調(diào)制一束光，他希望能增加（減少）打開和關(guān)閉共振腔所需要的光子數(shù)量。

不過，鮑斯也強(qiáng)調(diào)稱，新開關(guān)預(yù)示著科學(xué)家們可以制造出一種能工作的、超快速、低能耗的芯片信號路由器。鮑斯說：“最新研究表明，只需要使用6個光子的能量就能執(zhí)行開關(guān)任務(wù)，以前從來沒有人做到這一點(diǎn)；以前也沒有人研制出能耗低于100阿焦的全光開關(guān)，這是基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的一個里程碑�！�