引领未来趋势领袖：光子操控

　　光子操控

微小环路可以控制光波脉冲

　　新技术能对光子进行不可思议的操控。

　　电脑芯片的数据处理能力达到了前所未有的程度，如何在芯片内部传输流量越来越大的信息，就成了一项艰巨的挑战。光子元件的出现或许能解决这一难题，它使用的是光脉冲，而不是慢得多的电荷包。多年来，研究人员一直在研制所谓的硅光波导(silicon optical waveguide)。在这种器件中，光线沿着两条通路之间波导脊传播，就像沿光纤传播一样。

　　但是，这种光学互连设备必须在精确的时刻发送数据，所以需要对光脉冲进行可控延迟。一种方法是将光脉冲引入用波导制成的微小环路，光脉冲在其中回旋多次后，再继续它们的旅程。美国纽约州约克镇高地IBM托马斯·J·沃森研究中心(Thomas J. Watson Research Center)的尤里·A·弗拉索夫(Yurri A. Vlasov)及其同事，将光脉冲导入环路，运行了100圈之后，没有任何明显的数据损失。

　　利用微元件延迟光波的另一种方法，是使用光子晶体元件，它们拥有经过仔细设计的孔洞阵列，孔洞的大小和间距可以阻挡特定波段的光线(称为光子带隙)。在一个拥有这种孔洞阵列的硅薄片上，制作一条没有孔洞的通路，就构成了一个光子晶体波导。通路两侧的孔洞产生的带隙限制了光线的传播路径。日本NTT物性科学基础实验所的田边孝纯(Takasumi Tanabe)及其同事在此项研究中取得了一些进展：他们成功地将光子暂时贮存在了光子晶体纳米空腔之中——这里的空腔，指的是波导稍宽的一个小小区域。

　　一些研究人员想方设法延迟光线，但在美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)，E·佛瑞德·舒伯特(E. Fred Schubert)领导的另一些研究人员却发明了一种几乎不反射光线的涂层。这种涂层约厚600纳米，由五层纳米棒层叠而成。这些纳米棒由二氧化钛和二氧化硅构成，直径约25纳米，长度可达300纳米。这些纳米棒层叠在一个透明半导体薄片上，每一层的折射率都比下面一层更低。无涂层半导体的光反射率约为12%；如果加上涂层，反射率可以小到0.1%。这种涂层可以应用于光子元件、发光二极管和太阳能电池上。

　　还有一些研究人员正在追求一个更加远大的目标，那就是制造量子计算机。这种计算机可以利用量子力学的奇特效应，实现空前的运算处理能力。一种实现方案需要把量子数据存储在原子的长寿命量子态中，还要用光波传输这些量子数据。但是，要把存储和传输结合起来，就必须要让脆弱的量子态能够在物质与光之间传递。2006年，在丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的实验物理学家尤金·S·波尔齐克(Eugene S. Polzik)，以及德国加兴马普量子光学研究所的理论物理学家伊格纳西奥·西拉克(Ignacio Cirac)的共同领导下，一个研究小组成功将一组量子信息从一个光脉冲传递给一团原子云。

　　撰文/格雷厄姆·P·柯林斯(Graham P. Collins)

　　译/王栋 校/罗绮、虞骏

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