长期以来，晶体管，这种在计算机芯片内部翻转开关的小型器件，一直是电的领域。但科学家们开始开发利用光运行的芯片组件。上周，在马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院 (MIT) 研究人员领导的团队报告说，他们制造了一个由单个光子开关的晶体管，这是一项了不起的成就。
通常，光子仅用于传递信息，以无与伦比的速度沿着光纤电缆传输。去年12月宣布的首个包含光学元件的商用硅芯片并没有对现状构成什么挑战。在纽约州约克镇高地的 IBM 研究中心开发的该设备中，板载光束仅在计算机芯片之间传输数据。
现在，麻省理工学院的陈文兰和她的同事们已经教会了光一些新技巧，他们使用悬浮在两面镜子之间的冷却铯原子云。他们的晶体管默认设置为“开启”，允许光束畅通无阻地穿过透明的铯云。但是，由于一种称为电磁感应透明的效应，发送单个“门”光子会关闭开关。注入的光子会激发铯原子，使其对试图穿过云的光线产生反射（参见“关灯”）。陈说，一个光子可以阻挡大约 400 个其他光子的通过，她在 6 月 7 日在加拿大魁北克市举行的美国物理学会原子、分子和光学物理学部会议上介绍了这一结果。
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图片来源：《自然》杂志
使用弱信号打开和关闭强信号的能力满足了光学晶体管的关键要求。“以前没有任何东西能接近，”瑞士联邦理工学院苏黎世分校的物理学家阿塔奇·伊玛莫格鲁 (Ataç İmamoğlu) 说，他称这项实验是“一项真正的突破”。理论上，由触发光子控制的数百个光子可以扩散并关闭光学电路中的数百个其他晶体管。
凭借其奇特的原子云和笨重的设备，这个概念验证的晶体管不太可能成为日常计算机中的组件。但它可能是研究光子如何在量子水平上相互作用的有用工具，有可能产生一个量子晶体管，它翻转的不是像经典计算中的 1 或 0，而是一点模糊的量子信息。
更实用的光学晶体管于 2012 年 4 月在印第安纳州西拉斐特的普渡大学首次亮相，该校的电气工程师齐明浩制造了一种与半导体行业现有制造技术兼容的光学晶体管。“我们设备的优势在于它位于硅芯片上，”齐说。
在这种情况下，要打开和关闭的光束沿着硅中蚀刻的通道进出，该通道位于平行通道旁边。在两条轨道之间是一个蚀刻的环。当较弱的光束穿过第二条光路时，环会加热并膨胀，从而干扰主光束并关闭晶体管。此开关每秒可以翻转 100 亿次。
输出光束可以扩散并驱动另外两个晶体管，从而满足了斯坦福大学的物理学家大卫·米勒 (David Miller) 在 2010 年提出的光学晶体管的既定要求之一。其他标准包括匹配输出信号的频率和输入频率，并保持输出清洁，没有任何可能导致错误的降级。“制造一个真正满足必要标准的光学晶体管非常困难，”米勒说。
尽管如此，齐并不希望用他的光学类似物来挑战电子晶体管，后者消耗更多的功率并且运行速度慢得多。“我们希望补充英特尔的晶体管，”他说。“我们不想取代它。”他希望在利基市场找到立足点，例如用于扰乱有线电视频道的设备和可以从光对电磁攻击的免疫力中受益的军事技术。
引导信息通过互联网的路由器也可能适用于光学晶体管和开关。目前，网络中的这些停止点将通过光纤电缆传输的光信号转换为电信号；然后对其进行处理，转换回光并继续传输。一个光束将另一个光束推向适当方向的路由器——不涉及任何转换——原则上可以更快并且消耗更少的能量。
用于这种开关的流行候选者是量子点，这是一种像原子一样行为的小型半导体晶体。在一种特别敏感的量子点开关中，光束首先沿着一种点缀有孔洞的材料引导，这种材料称为光子晶体。光线可以通过放置在其路径中的量子点，而不会改变路线。但是，如果在该光束之前发送一束光脉冲，则会在点和晶体之间产生相互作用，从而散射该光束并将其发送到不同的路径。
马里兰大学学院公园分校联合量子研究所的埃多·瓦克斯及其同事在 2012 年 5 月报道说，当受到 140 个光子的脉冲撞击时，它会切换。原则上，这足够小的能量可以与传统路由器相媲美。
但是，该开关仍然面临所有这些新兴光学技术都面临的实际障碍。为设备提供光线的激光器消耗大量能量，从而抵消了任何节省。“现在，”瓦克斯说，“开销正在扼杀我们。”