工程师们开发了一种紧凑、快速且高效的光子开关，该开关应用了量子力学原理，可能通过优化数据中心来增强流媒体和人工智能训练等各种应用。
每秒，巨量数据——相当于数千部电影同时下载——作为光通过光纤电缆在全球传输，就像在高速公路上行驶的汽车。当这些数据到达数据中心时，需要一个开关系统，就像交通灯对车辆的作用，以便有序处理。
以前，用于指引光信号的光子开关面临一个重大挑战——大小与速度之间的折衷。更大的开关可以支持更高的速度和更多的数据，但代价是更高的能量使用、增加的空间需求和更大的成本。
加速信息高速公路
最近，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（Penn Engineering）的研究人员在Nature Photonics上发表了一项研究，概述了一种突破性的光子开关，解决了这一大小与速度之间的难题。这个新的开关尺寸仅为85乘85微米，甚至比一粒盐还小。
通过高效地在纳米尺度上操控光，这种创新开关加速了数据在全球光纤网络上的传输。“这可能会加速从观看电影到训练人工智能的所有事务，”材料科学与工程（MSE）和电气与系统工程（ESE）教授、公论文的资深作者梁锋表示。
量子力学与光的结合
这一新的开关机制利用了非厄米物理，这是一种研究特定系统奇特行为的量子力学领域，提供了对光行为的更好控制。“我们可以调整材料的增益和损失来引导光信号到信息高速公路的适当出口，”博士生冯西林解释道，也是论文的主要作者。从本质上讲，这种独特的物理原理使研究人员能够在微小的芯片上控制光流，为任何基于光的网络的连通性提供精确的控制。
这一进展意味着该开关可以在万亿分之一秒内重定向信号，且能量使用最小。“这比眨眼的速度快大约十亿倍，”博士生吴双表示，也是论文的共同作者。“老式开关要么紧凑，要么快速，但同时实现这两个特性一直是非常具有挑战性的。”
利用硅材料实现可扩展性
这个新开关的另一个亮点是部分使用硅，这是一种具有成本效益且易于获取的材料。“在硅光子学框架下，非厄米开关从未被证明过，”吴说。将硅结合到开关中有可能使其更易于扩展，以实现大规模生产和广泛的行业应用。硅是多种技术的基本组成部分，从计算机到智能手机；利用硅可确保与现有的硅光子工厂兼容，这些工厂生产用于图形处理单元（GPU）等设备的先进芯片。
从构想到现实
该开关由一层硅和一层名为砷化铟镓磷（InGaAsP）的半导体组成，这种材料特别擅长操控红外光波长，例如通过海底光纤电缆传输的波长。
将这两层结合起来是一个复杂的任务，经历了许多试验之后才达成一个可工作的原型。“这就像做三明治，”冯西林在谈到材料的分层时表示。然而，如果发生微小的不对齐，整个组件可能会失败。“对齐需要纳米级的精度，”吴补充道。
颠覆数据中心
最终，研究人员认为这一新的开关不仅有利于研究非厄米物理的学术物理学家，也将惠及运营和建设数据中心的公司以及数十亿依赖这些中心的用户。“数据的移动速度取决于我们如何控制它，”梁锋指出。“我们的实验表明，我们系统的速度极限仅为100皮秒。”
这项研究是在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院进行的，并得到了陆军研究办公室（ARO）（W911NF-21-1-0148和W911NF-22-1-0140）、海军研究办公室（ONR）（N00014-23-1-2882）和国家科学基金会（NSF）（ECCS-2023780、DMR-2326698、DMR-2326699和DMR-2117775）的支持。
其他共同作者包括来自宾夕法尼亚工程的吴天伟、高子赫、赵浩琪和张怡驰，以及来自纽约城市大学的葛丽。
