网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

打破物理“死锁”!科学家制造出可编程芯片,光速也能按需控速

0
分享至

在光子计算、高速光通信及AI大模型芯片间互连飞速发展的今天,“光速” 往往被视为数据传输的终极极限。然而,在实际的光子集成电路中,我们不仅需要光走得快,更需要光能够“停下来”或“按需走得慢”。这种在极小空间内实现光脉冲同步、缓冲与暂存的技术,被称为慢光技术。

由首尔大学Namkyoo Park教授团队与Sunkyu Yu教授、首尔市立大学Xianji Piao教授及 KAIST 研究人员合作发表于 《Advanced Science》 的论文 《Fully Programmable Slow Light Based on a Spinor Representation of Generalized Coupled-Resonator-Induced Transparency》,为光子芯片上的慢光控制开辟了全新范式。该研究打破了传统慢光器件“一旦加工便无法更改”的物理局限,首次利用量子力学中的自旋量表象与双通道规范场,实现了慢光延时、光谱线宽以及对称性的全自由度动态可编程调控。



一、 从EIT到CRIT:慢光技术的演进与瓶颈

要理解这项研究的突破性,首先需要回顾慢光技术的物理根基。

1. 量子原型的经典映射:EIT 与 CRIT

  • 电磁诱导透明(EIT):最初是原子物理学中的一种量子干涉效应。当两束不同频率的激光照射三能级原子系统时,量子的概率幅干涉相消会导致介质在原先的吸收峰位置陡然打开一个高透射窗口。在此透明窗口内,由于介质色散极为剧烈,光脉冲的群速度会急剧下降,从而实现极低速度的慢光传播。
  • 耦合谐振腔诱导透明(CRIT):为了将EIT引入集成光子芯片,研究人员利用微环谐振腔等光学微腔构建了经典类比系统。系统中直接与波导耦合的微腔扮演“亮模式”,而相连的低损耗微腔扮演“暗模式”。两者的相干消光可以在特定波长下产生类似 EIT 的透明峰,形成极高群折射率的慢光通道。

2. 传统CRIT器件的硬伤

尽管传统 CRIT 在光子芯片上实现了慢光,但它在工程应用中存在一个致命缺陷:几何结构定型即性能死锁。

  • 参数相互耦合绑定:在传统 CRIT 中,光的延时、透射峰的线宽以及光谱的偏斜度完全取决于微腔间的物理间距、耦合系数与固有损耗。一旦芯片完成光刻制造,其慢光性能就固定不变。
  • 难以应对动态网络:在现代数据中心或 AI 运算节点中,数据包的传输速率和路径是动态变化的,需要按需调节的光缓冲器。传统的静态 CRIT 器件根本无法适应这种复杂的重构需求。

二、 理论创新:自旋量表象与广义CRIT框架

为了彻底打破传统物理参数间相互制约的枷锁,研究团队巧妙地借鉴了拓扑光子学与量子态调控的思想,提出了广义CRIT理论。

1. 亮-暗模式的二态自旋量映射

研究人员将 CRIT 系统中的亮模式 resonant state (|B>) 和暗模式 resonant state (|D>) 抽象为一个二维自旋状态:

在这个数学框架下,微腔系统的有效哈密顿量可以完全利用量子力学中的SU(2)代数和泡利矩阵来展开:

这种表象转换带来了一个极为深刻的物理视角:微腔之间的相干耦合与失谐,在数学上等价于在一个三维拟自旋空间内对自旋量施加的SU(2)幺正旋转操作。

2. 双通道规范场引入全参数解耦

为了在物理硬件上实现对这个“自旋量”的自由操控,论文引入了双通道规范场。通过引入受控的相位因子与交叉耦合项,研究团队构建了一个映射通用SU(2)变换的“可重构回路耦合器”。

在此理论框架下,慢光系统的三大核心指标被彻底解耦:

  1. 群延时:可通过改变自旋旋向的角度自由调节;
  2. 透明窗口线宽:可通过标量干涉参数独立缩放,而不影响最大延时值;
  3. 光谱不对称性:可通过改变规范相位的矢量方向实现从对称 Lorentzian 峰到不对称 Fano 线型的无级连续演化。

三、 硬件实现与实验验证

理论的完备性最终在氮化硅(Si₃N₄)集成光子平台上得到了验证。

1. 基本单元与一维 CRIT 晶格

研究团队在芯片上实现了基于双微环与回路耦合器构成的 CRIT 单元。通过集成热光相位微调器,能够动态改变回路中的相位与能量流向,直接在芯片上执行特定的SU(2)幺正变换。

此外,团队进一步将该基本单元扩展为一维 CRIT 拓扑晶格,成功展示了具有连续可调色散特性的可编程慢光频带。

2. 实测性能突破

芯片实测与全波电磁仿真展现出了高度一致的优异结果:

  • 动态延时调控:在不改变器件物理结构的前提下,通过电学信号控制,光脉冲的群延时实现了连续可调,透射效率保持稳定。
  • 低色散脉冲保真:在实现高延时的同时,通过独立调控光谱线宽与色散曲线,有效抑制了高阶色散引发的脉冲展宽与波形失真。
  • Fano 响应线型重构:实现了光谱响应从标准 CRIT 透射窗口到极度陡峭的不对称 Fano 谐振的动态转换。

四、 核心价值与应用前景

这一研究成果绝不仅仅是理论上的优雅推导,它为集成光子芯片在多个高端应用场景中的落地扫清了障碍:

1. 次世代光子互连与 AI 算力集群 synchronization

在光子 AI 芯片及数据中心的高速光互连中,不同并行数据通道之间的时序抖动是制约算力上限的瓶颈。本论文提出的可编程慢光延迟线,可以动态校准微秒至皮秒级别的时序偏差,实现多通道数据流的实时动态重构同步。

2. 可重构光缓冲与光计算

在全光路由与光子计算架构中,该技术可充当可编程的“光内存”,按照系统指令将光信号暂停或延后指定的时间片,极大地提升了全光网络的数据包调度能力。

3. 线性频率转换与拓扑量子模拟

引入规范场和可调SU(2)变换后,该微腔晶格系统还具备了模拟复杂量子多体系统和拓扑相变的能力,为芯片级的线性频率转换以及非阿贝尔规范场的量子模拟提供了理想的实验平台。

五、 总结

首尔大学等合作团队完成的这项研究,成功将量子力学中的自旋量抽象与规范场概念跨界引入到了经典光子集成电路的设计中。

通过将复杂的微腔物理参数统一映射为SU(2)空间内的矢量旋转,论文构建了全自由度可编程的广义 CRIT 慢光芯片。这一突破不仅推动了慢光物理的理论发展,更为下一代光子计算、高速通信及量子信息处理芯片提供了极具实用价值的核心元器件。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
这算不算是顶级阳谋?原来修建厦金大桥这事,台当局是不同意的,但我们这边是照修不误

这算不算是顶级阳谋?原来修建厦金大桥这事,台当局是不同意的,但我们这边是照修不误

扶苏聊历史
2026-11-12 11:03:06
肺癌来临前,身体会有表现,这3大症状或是肺癌的信号,别忽视了

肺癌来临前,身体会有表现,这3大症状或是肺癌的信号,别忽视了

熊猫医学社
2026-11-13 11:45:05
《伟大的长征》大结局:被一笔带过的乌蒙山回旋,才是真正的神来之笔

《伟大的长征》大结局:被一笔带过的乌蒙山回旋,才是真正的神来之笔

三闲看剧
2026-11-12 09:38:44
囤茅台酒的人,天塌了

囤茅台酒的人,天塌了

深蓝财经
2026-11-12 22:12:31
最惨大国重器:曾是世界第一!现在18家大国企风光不再,痛心

最惨大国重器:曾是世界第一!现在18家大国企风光不再,痛心

混沌录
2026-11-13 14:19:21
胡荷韬谈丢冠苦笑:就像唐田说的失之我命,这或许是我们的命

胡荷韬谈丢冠苦笑:就像唐田说的失之我命,这或许是我们的命

懂球帝
2026-11-13 10:14:04
闪婚22天卷走12万彩礼,贵阳骗婚案宣判:女方判3年6个月仍上诉!

闪婚22天卷走12万彩礼,贵阳骗婚案宣判:女方判3年6个月仍上诉!

清清诗话
2026-11-13 13:42:34
我在殡仪馆工作20年了,我见过最惨的告别,是一个富豪的葬礼

我在殡仪馆工作20年了,我见过最惨的告别,是一个富豪的葬礼

千秋文化
2026-07-27 20:01:48
别把这个社会太当回事了 !从985大学休学的那个年轻人,说出了我们不敢承认的现实

别把这个社会太当回事了 !从985大学休学的那个年轻人,说出了我们不敢承认的现实

蝴蝶花雨话教育
2026-11-13 00:05:16
美国为什么偏挑这时让黄仁勋退场?

美国为什么偏挑这时让黄仁勋退场?

小眼睛小世界
2026-11-13 14:42:56
心痛!一高校副教授年仅47岁病逝,高校教师“过劳”危机再次敲响警钟,如何才能让“青椒”们不再透支生命?

心痛!一高校副教授年仅47岁病逝,高校教师“过劳”危机再次敲响警钟,如何才能让“青椒”们不再透支生命?

高教经纬88
2026-11-12 17:00:03
张萌为误提写序费道歉!文吉儿反应网气炸!王子璇回应上热搜第一

张萌为误提写序费道歉!文吉儿反应网气炸!王子璇回应上热搜第一

小椰的奶奶
2026-11-13 08:51:29
懂车帝也太刚了!

懂车帝也太刚了!

胖胖说他不胖
2026-10-09 15:08:05
一则国企校招上岸截图走红!岗位为成都总部生产技术岗,家庭晒喜讯,三方协议争议刷屏评论区

一则国企校招上岸截图走红!岗位为成都总部生产技术岗,家庭晒喜讯,三方协议争议刷屏评论区

火山詩话
2026-11-13 09:56:20
班长组织同学会,群收款:2000,我直接退群,聚会当天全班却懵了

班长组织同学会,群收款:2000,我直接退群,聚会当天全班却懵了

星宇共鸣
2025-04-26 18:30:54
法国1:3意大利,皇马4大球星全部拉胯,齐达内执教法国队首败

法国1:3意大利,皇马4大球星全部拉胯,齐达内执教法国队首败

福酱的小时光
2026-11-13 10:30:08
B费第2次拒绝曼联新合同报价,与卡里克助教矛盾曝光!波帅或将挽留

B费第2次拒绝曼联新合同报价,与卡里克助教矛盾曝光!波帅或将挽留

罗米的曼联博客
2026-11-13 12:33:58
网友背着30斤重的柯基与背着40斤重的萨摩耶主人在山上相遇,狗主人对视而笑,两狗难分伯仲…评论区:还有只拉布拉多更是重量级…

网友背着30斤重的柯基与背着40斤重的萨摩耶主人在山上相遇,狗主人对视而笑,两狗难分伯仲…评论区:还有只拉布拉多更是重量级…

大爱狗狗控
2026-11-12 20:46:25
老詹轮休,三巨头17分逆转送4喜讯!2米29铁塔登场,3大奇兵发威

老詹轮休,三巨头17分逆转送4喜讯!2米29铁塔登场,3大奇兵发威

锅子篮球
2026-11-13 11:42:42
马斯克为什么这么疯狂地生那么多孩子? 原因很简单,他真觉得人类要完,要搞“基因筛选”!

马斯克为什么这么疯狂地生那么多孩子? 原因很简单,他真觉得人类要完,要搞“基因筛选”!

LULU生活家
2026-10-24 18:01:57
2026-11-13 15:12:49
万象经验 incentive-icons
万象经验
专注科普
1557文章数 808关注度
往期回顾 全部

科技要闻

黄仁勋辞职,马斯克们抱不平!

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

体育要闻

28年前的“点球罪人”,把冠军带回大连

娱乐要闻

黄仁勋与黄乐合照曝光,吃饭氛围暧昧

财经要闻

72岁王健林重回“一号位”

汽车要闻

限时权益价8.88万 吉利星愿STAR限定系列发布

态度原创

艺术
数码
本地
房产
公开课

艺术要闻

17位 国外画家笔下的女子

数码要闻

STEPX Neo体验:当手机开始理解意图,AI交互有了新玩法

本地新闻

乌兰察布:以前种土豆,现在种Token

房产要闻

十年长草!三亚这个豪宅盘,爆出新消息!

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版