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

      新開關能引導光束從一個方向到達另一個方向，整個過程只需耗費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，其能耗僅為此前日本研制出的全光開關的五分之一，是其他全光開關的百分之一。科學家們使用了波長為921納米的近紅外線，約有140個光子。

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

      實驗由馬里蘭大學的埃多?沃克斯和同事在馬里蘭大學和國家標準與技術研究所（NIST）進行。他們使用置于共振光腔內的一個量子點（相當于一個門）制造出了該全光開關。該共振光腔是一個擁有很多小洞的光子晶體，只允許少數光波通過該晶體。量子點由銦和砷組成，僅為1納米大小，使在其內部移動的電子只能散發出波長不連貫的光。

      當光沿著附近的波導行進時，其中的一些光會進入共振光腔內，同量子點相互作用，正是這種相互作用改變了波導的傳輸特性。盡管140個光子都需要在波導內來產生開關行為，但其實只有6個光子做到了。

      以前研制出的全光開關只能通過使用笨重的非線性晶體和高輸入功率來工作。而新開關使用單個量子點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低，但日本的開關能在室溫下操作，而新開關只能在40開（-233.15攝氏度）左右工作。

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

      不過，鮑斯也強調稱，新開關預示著科學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行開關任務，以前從來沒有人做到這一點；以前也沒有人研制出能耗低于100阿焦的全光開關，這是基礎物理學領域的一個里程碑。”