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偏振光或将成为现行计算机运算速度量级提升的头牌主力

参照近几年电子市场的占比额,当今计算机运算处理器的发展历程本该是记录着场效应晶体管研发进程的报告单,但是,随着科研进步,占有半导体市场一席之地、运算速度可达几千兆单位级(Hz)的芯片计算机也逐渐步入发展瓶颈期(晶体制造已经十分成熟,最新的晶体管尺寸仅为5纳米,在某种程度上,晶体已无法进一步缩小),与此同时,研究人员却另辟蹊径,通过引导电流介质,发现光介入是可以通过光粒子运动带动电子快速运动的,并且利用光子学与可调谐材料相结合的优势,让偏振光成为了现今超高速光子计算处理器的技术核心。

近日发表在《科学论文》上的一篇论文,牛津大学的研究人员开发了一种使用光的偏振来实现最大化信息存储密度的设备,原理是将多个偏振通道展开并行处理,而在同线程运行环境下相较于电子芯片势必会大幅提升计算密度。

首先,深入剖析光子计算处理器形成机制前,简单了解下光的偏振基本原理。光本质上是电磁波,电磁波的本质是横波,定义振动方向和光传播方向形成的一个平面称为振动面,而光的振动面只限于一个方向又叫做平面偏振光,振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志,只有横波才有偏振现象。光波是电磁波,因此,光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直,因此光波是横波,它具有偏振性。具有偏振性的光则称为偏振光。

论文提出开发多个偏振通道并行处理,依赖于产生光偏振的两种机制:第一种是经过反射,多次折射,双折射和选择性吸收的方法产生基本平面偏振光;第二种是通过偏振人工合成偏振片,而偏振片是用人工方法制成的薄膜,是用特殊方法使选择性吸收很强的微粒晶体在透明胶层中作有规则排列而制成的,它允许透过某一电矢量振动方向的光(此方向称为偏振化方向),而吸收与其垂直振动的光,即具有二向色性. 因此自然光通过偏振片后,透射光基本上成为平面偏振光。光学谐振腔中的光增益就是利用光在谐振腔内部通过光粒子数反转,在工作物质中反射折射输出增益激光的,而且只有在光轴上振荡的光才可以加强,上述论文中的研发团队便利用这一特性,开发了一种混合活性电解质——纳米线,该纳米线使用一种混合玻璃材料,该材料在光脉冲照射时具有可切换的特性,每条纳米线都显示出对特定偏振方向的选择性响应,可以使用不同方向上的多个偏振同时处理信息。

光子计算处理器相较于传统电芯处理器,具有对多个方向的偏振光并行处理的能力,配备纳秒级光脉冲调制,其计算密度也将随着多线程以及计算速率的大步提升促使计算密度比以往高出几个数量级。

研究人士提出未来将继续保持研发热情并完善处理器底层逻辑结构,同样表示会在自研工作物质以及原料成本问题上做出权衡,最后,就如研究人员所希冀的那样,光子计算处理器的问世仅仅只是人们对未来计算机开发新领域的第一步,也是通过电子硬件、非线性材料、复杂算法等多方角度构成的“物联网命运共同体”的未来展望。

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