单光子层面实现光束精准控制

美国普渡大学研究团队实现了单光子层面精准控制光束，并以此研发出一种能在单光子强度下工作的“光子晶体管”，这是实现光基技术全部潜力的关键一步，可为光子芯片研发与量子计算研究铺平道路。相关成果发表在最新一期《自然·纳米技术》期刊上。

从光纤通信到量子传感器，光子技术支撑着数字世界的运行。而随着对更快、更高效计算和通信系统的需求不断增长，能够在单光子层面精准控光，无疑是迈向光子时代的至关重要的一步。

长久以来，科学家一直难以实现用单个光子去控制另一束光，因为这就像用一根火柴去点燃一盏探照灯，听起来几乎不可能。

此次突破的核心在于，它能让一个微弱到只有一个光子的控制光束，去调制或开关一束强大的探测光。在此之前，传统材料的光学非线性效应非常微弱，通常需要极高功率的激光才能让两束光相互作用。鉴于此，研究团队巧妙地利用了商业单光子探测器中常见的“雪崩倍增”原理，当一个光子撞击硅片时，会像引发雪崩一样产生多达100万个电子，从而将微弱的量子信号放大成宏观上可测量的电流。利用这一过程，团队实现了光束间的巨大非线性效应，让单个光子拥有了控制宏观光束的能力。

该成果优势显著。在此基础上诞生的光子晶体管，能在室温下稳定工作，不像其他依赖量子系统的方案那样需要极低温环境。它能与现有的互补金属氧化物半导体工艺兼容，这意味着其可以无缝集成到当前的芯片制造流程中，为未来光子芯片打下基础。此外，它的运行速度极快，可达吉赫兹级别，甚至有望提升到数百吉赫兹，远超现有方法。

团队表示，初期使用的仍是商用单光子雪崩二极管，未来他们计划设计专门优化的器件，以进一步提升性能。

这项技术不仅有望推动量子计算的发展，更可能在经典计算领域引发变革，例如用于构建超高速、低功耗的光子计算机，或在数据中心和光通信系统中取代更慢、更耗电的电子设备。

审核编辑 黄宇