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这种“半光半物质”粒子,有望补上AI光计算最后一块拼图

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1946 年,宾夕法尼亚大学的 J.Presper Eckert 和 John Mauchly 让 ENIAC 正式亮相。这台机器用电子的流动求解弹道方程,开启了电子计算的时代。

80 年后的 2026 年 4 月,同一所大学的物理学家 Bo Zhen 团队在 Physical Review Letters 发表了一项工作:他们造出一种半光半物质的混合准粒子——激子-极化激元(exciton–polariton),用大约 4 飞焦(fJ,即 4×10⁻¹⁵ 焦耳)的能量完成了光信号的全光开关切换。这个能量比短暂点亮一颗微型LED 还小几个数量级。

从电子到光子,宾大用了 80 年走了一个圈。只不过这一次要解决的不是弹道计算,而是 AI。


图丨相关论文(来源:Physical Review Letters)

AI 的算力需求正在把电网推向极限。IEA 数据显示,2025 年全球数据中心用电量同比增长 17%,预计到 2030 年将翻倍至约 950 太瓦时。根源在电子本身:带电荷,移动就有电阻,电阻就生热,芯片越密集,散热越难。

光子是一个天然的替代选项,它不带电、无静止质量、以光速传输且几乎不发热。光子早已统治了通信,全球互联网的骨干就是光纤;但要让光子从“搬运工”升级为“计算者”,卡在了一个看似简单的问题上:光子之间几乎不互动。

这恰好是光子最大优势的反面。“光子是电中性的,能快速、低损耗地远距离传输信息,”论文共同第一作者、前宾大博士后 Li He(现蒙大拿州立大学助理教授)向媒体解释,“但这种电中性也意味着它们几乎不与环境互动,做不了计算机依赖的信号开关逻辑。”

这个矛盾对光子 AI 芯片来说尤其致命。神经网络运算分两步:线性运算(矩阵乘法)和非线性激活(类似“做判断”)。光子天生擅长前者,用干涉和衍射就能做矩阵乘法,速度极快、能耗极低。曦智科技、Lightmatter 等公司已经把光子矩阵乘法芯片推向商业化。在线性计算这一步,光子已经证明了自己。

但非线性激活需要信号之间互相影响,一个信号要能改变另一个信号的状态。电子天生做得到,因为它带电、彼此排斥,而光子做不到。结果是,许多现有光子 AI 芯片,在完成矩阵乘法后,不得不把光信号转回电信号,交给电子器件完成非线性激活,再转回光信号进入下一层网络。

这种“光-电-光”的反复转换,恰好把光子计算的速度和能效优势吃掉了大半。MIT 此前开发过混合光电的非线性功能单元(NOFU)来缓解这个问题,新加坡国立大学团队 2026 年 3 月也报告了用铌酸锂波导实现全光激活的方案。各路人马都在攻同一道关:让光不变回电子,就能完成“判断”。

宾大团队的思路不同于上述任何一种。他们没有试图让光子直接产生非线性,而是给光子“嫁接”了一个会互动的搭档。

具体做法是,把一层原子级厚度的硒化钼(MoSe₂)半导体薄膜放到一个氮化硅光子晶体纳米腔上。纳米腔的模式体积只有约 0.05 立方微米,比传统 DBR 腔小了几个数量级。

在如此狭小的空间里,光子被强制与 MoSe₂ 中的激子(电子-空穴对的束缚态)发生强耦合,融合成既非纯光也非纯物质的混合准粒子——激子-极化激元。这种粒子继承了光子的速度和激子的互动能力:两个极化激元相遇时,物质成分让它们能“感受到”彼此,产生非线性响应。


(来源:Physical Review Letters)

团队实现了约 4fJ 的全光开关切换能量,比此前 2D 激子-极化激元系统报道的皮焦量级阈值低了几个数量级;泵浦-探测光谱显示,开关动作在几皮秒内完成,受限于激子寿命而非器件本身。团队还通过电学门控(gate tuning)调节 MoSe₂ 的掺杂状态,实现了从强耦合到弱耦合的可控切换。

这项工作和光子计算芯片之间其实是一种互补关系。后者已经在线性矩阵运算上证明了光的优势,但在非线性环节仍然依赖电子器件。宾大团队展示的极化激元全光开关,恰好针对的就是这个缺失环节。

如果极化激元器件未来能集成到光子芯片上,就有可能让整个神经网络推理过程全部在光域完成,不再需要“光-电-光”的反复转换。论文中也提到,该系统有望加速全光神经网络的发展,使计算更完整地留在光域中完成。

但距离这个愿景成为现实,还有几道现实关卡。这次实验在 4K(零下 269℃)低温下进行,商用芯片显然不能依赖液氦冷却。目前的器件只是单个纳米腔的演示,距离大规模阵列集成还需要跨越工程量级。

论文作者也坦承,当前约 4fJ 的开关能量对应腔内约 10 的 4 次方个极化激元,还需要再降两到三个数量级,才能接近量子非线性极限。他们提出了具体改进路径:在材料端,用三离子(trion)或莫尔激子(moiré exciton)替代中性激子,非线性响应可提升一到两个数量级;在光子器件端,采用折射率更高的绝缘体上 InGaP 平台(折射率 3.4,远高于氮化硅的 2.17),可以进一步压缩模式体积、延长极化激元寿命。

光子计算正处于一个微妙的时刻。产业端的投入在加速,但全光非线性这个底层物理问题仍未被工程化地解决,光子芯片在关键的“判断”环节依然要退回电子世界。宾大这项工作提供了一条可能的出路,但从 4K 低温下的单器件,到室温芯片上的大规模集成,中间隔着的不只是工程优化,还有材料科学和光子学的基础性挑战。

参考资料:

1.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gc15-qsvf#fulltext

2.https://penntoday.upenn.edu/news/making-light-work-computing

运营/排版:何晨龙

注:封面/首图由 AI 辅助生成

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