单光子开关将推动光子计算实现突破

在现代科技中，对光的精准控制堪称基石技术。从光纤通信到量子传感器，光子操纵技术支撑着数字化基础设施的运转。然而始终存在一个难以攻克的技术瓶颈：在最基本层面实现光控光——用单个光子切换或调制强光束。如今，普渡大学的研究团队终于攻克了这一里程碑式难题，成功研发出可在单光子强度下运行的"光子晶体管"。

这项发表于《自然·纳米技术》的研究显示，该技术实现的非线性折射率比已知最佳材料高出数个数量级，这一飞跃或将使光子计算真正走向实用化。"我们展示了实现单光子强度光子晶体管的方法，"普渡大学电子与计算机工程系特聘教授弗拉基米尔·沙拉耶夫表示，"这是个困扰学界多年的难题，我们找到了潜在解决方案。"

该突破解决了光子学领域的基础性挑战：传统光学非线性效应需要极高功率才能实现光束间相互作用。论文第一作者、沙拉耶夫课题组博士后德米德·西切夫解释道，"通常光学非线性确实能让两束光相互影响，但由于非线性折射率极小，这种相互作用仅适用于宏观尺度的经典光束，无法应用于单光子层面。"

研究团队从商用单光子探测器的雪崩倍增过程中获得灵感。当单光子撞击硅材料产生单个电子时，会触发雪崩效应生成高达百万个新电子，这种级联效应架起了微观量子世界与宏观可测现象之间的桥梁。西切夫指出："这种倍增效应是连接微观量子世界与宏观世界的强大工具，虽然该原理常用于单光子探测，但我们创新性地将其用于产生光束间的巨大非线性效应，使单光子束能控制强宏观光束。"

课题组博士四年级生陈培刚赞叹该设计的精妙："我刚加入课题组时，就觉得德米德的构想堪称天才之举。未来我们将为这个特定设计制造专用单光子雪崩二极管，但现阶段使用商用元件是最快捷的验证方式。"

该器件作为光学开关运行时，控制光束中的单个光子即可调制更强探测光束的属性，实现高效通断控制。

三大核心优势

与现有单光子非线性方案相比，普渡团队的技术具备三大优势：首先实现室温运行。西切夫比较道："当前单光子非线性方案多采用量子系统，例如耦合腔体的单光子发射器，但这类方案对温度极其敏感，无法在室温下工作。其次具备CMOS工艺兼容性，意味着可直接集成于现有半导体产线。这是无缝紧凑的集成方案，"陈培刚强调："其他方案涉及复杂物理系统，而我们的器件本身就是半导体，能直接集成在芯片上。"

第三点或许最为关键：其运行速度达吉赫兹级别，甚至有望提升至数百吉赫兹，远超现有技术方案。"这类系统的时钟频率理论上可扩展至数百吉赫兹，"西切夫补充道。

应用前景：从量子到经典

虽然该研究在量子计算领域应用明确——可提升单光子生成效率并加速量子隐形传态协议，但西切夫认为其在经典计算领域的应用更具变革性。"光子计算机未能实现的主因在于现有光子操控方案未尽其用。光子能耗更低、速度更快，"他分析道，"理想情况下光子CPU时钟频率可达太赫兹，而当前最优电子CPU仅5吉赫兹。瓶颈在于缺乏适用的光子开关——现有光子相互作用通常需要高功率光源，而我们的方法原则上用单光子即可实现。"

这项技术的影响将超越计算领域，延伸至数据中心、光通信和数据传输系统——任何需要以高速低耗的光子替代慢速高耗电子的场景。"我仿佛正在参与改变世界，"陈培刚感慨道，"这项研究不仅对我的职业生涯意义重大，更可能为产业界和科学界带来变革。"

四年探索未知之旅

从概念验证到论文发表的过程充满挑战。西切夫持续研究该构想一年后，三年前陈培刚加入团队。历经四载多次实验尝试，团队最终取得成功。"这是个迭代过程，"西切夫回忆道，"我们投入了大量实验精力，因为这完全是未知领域。"

研究在普渡大学伯克纳米技术中心完成，由沙拉耶夫教授和电子与计算机工程系特聘教授亚历山德拉·博尔塔舍娃共同指导。西切夫和陈培刚均隶属于普渡量子科学与工程研究所。

团队目前正致力于技术优化。西切夫表示："此前使用的商用SPAD均非专为此目的设计，当前目标是制造针对单光子开关功能优化的器件。"他们计划探索不同器件结构和材料以进一步提升性能。

西切夫强调尽管演示成果显著，但仍需持续攻关："这项研究未来确实能为产业界和学术界带来更多成果。我们找到了解决这个长期难题的潜在路径，虽然仍需大量工作推进，但至少发现了有趣的研究方向，对此我们深感欣慰。"

研究团队还包括普渡大学电子与计算机工程系的陈宇恒、莫里斯·杨和科尔顿·弗鲁林，他们与西切夫、陈培刚共同完成了光学测量工作。伯克纳米技术中心高级研究员阿列克谢·拉古特切夫负责实验构思设计及数据分析，电子与计算机工程系教授亚历山大基尔迪舍夫则通过有限元模拟为研究提供支持。

研究人员相信，这项突破创造了被沙拉耶夫和博尔塔舍娃在相关研究中称为物理学与工程学"新 playground"的平台——在这个基础光控技术的新舞台上，量子与经典技术领域的变革性应用将源源不断涌现。随着对高速高效计算与通信系统的需求持续增长，单光子层面的光子操控能力将成为释放光技术全部潜力的关键一步。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41565-025-02056-2