想象一下，一台家用电脑的运行速度比市场上最昂贵的硬件快100万倍。现在想象一下，这种水平的计算能力将成为工业标准。亚利桑那大学的研究人员希望利用基于光的光学计算为这一现实铺平道路，这是对目前运行世界的基于半导体的晶体管的明显改进。

"物理学和光学科学助理教授Mohammed Hassan说："基于半导体的晶体管存在于我们今天使用的所有电子产品中。"它们是每个行业的一部分--从儿童玩具到火箭--并且是电子产品的主要组成部分。

哈桑带领一个国际研究小组，于2月在《科学进展》杂志上发表了研究文章《合成光场上的超快光开关和数据编码》。亚利桑那大学物理学博士后研究助理Dandan Hui和物理学研究生Husain Alqattan也为这篇文章做出了贡献，此外还有来自俄亥俄州立大学和慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的研究人员。

电子产品中的半导体依靠通过微波传输的电信号来切换--要么允许，要么阻止--电力和数据的流动，表示为 "开启 "或 "关闭"。哈桑说，未来的电子产品将基于使用激光来控制电信号，为建立 "光学晶体管 "和发展超快的光学电子产品打开大门。

自20世纪40年代发明半导体晶体管以来，技术进步的核心是提高电信号的产生速度--以赫兹为单位。据哈桑说，世界上最快的半导体晶体管可以以超过800千兆赫的速度运行。在这种频率下的数据传输是以皮秒，或万亿分之一秒的尺度来衡量的。

自半导体晶体管问世以来，计算机处理能力稳步提高，尽管哈桑说，在开发更快技术方面的一个主要担忧是，继续在微芯片上增加晶体管所产生的热量最终将需要更多的能量来冷却，而不是通过芯片。

在他们的文章中，哈桑和他的合作者讨论了利用光信号的全光开关来达到超过1帕赫兹的数据传输速度，以阿托秒的时间尺度衡量。阿托秒是一百万亿分之一秒，意味着数据传输的速度比最快的半导体晶体管快100万倍。

虽然光学开关已经被证明可以实现比基于半导体晶体管技术更快的信息处理速度，但哈桑和他的合著者能够以十亿分之一秒的速度记录来自光源的开和关信号。这是通过利用熔融石英的一个特性来实现的，熔融石英是一种经常用于光学领域的玻璃。熔融石英可以瞬间改变其反射率，通过使用超快的激光器，哈桑和他的团队能够在阿托秒的时间尺度上记录光的信号变化。这项工作还证明了以 "1 "和 "0 "的形式通过光来发送数据的可能性，这些数据代表了以前不可能实现的速度的开启和关闭。

"这项新进展还将允许在超快激光脉冲上对数据进行编码，这将提高数据传输速度，并可用于从地球到深空的长距离通信，"哈桑说。"这有望提高数据处理和信息编码的极限速度，并打开信息技术的新领域。"

更多信息

Dandan Hui et al, Ultrafast optical switching and data encoding on synthesized light fields, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf1015