由Skoltech公司和IBM公司领导的一个国际研究小组创造了一种极其节能的光学开关，它可以在操纵光子而非电子的新一代计算机中取代电子晶体管。除了直接省电之外，这种开关不需要冷却，而且速度真的很快。在每秒1万亿次的操作中，它比今天一流的商业晶体管快100到1000倍。这项研究周三在《自然》杂志上发表。

该研究的第一作者Anton Zasedatelev博士评论说："使新设备如此节能的原因是，它只需要几个光子就能进行切换。事实上，在我们的Skoltech实验室里，我们在室温下只用一个光子就实现了切换。尽管如此，在全光协处理器中使用这样的原则性证明之前，还有很长的路要走。"

由于光子是自然界中存在的最小的光粒子，就功耗而言，除此之外真的没有太多的改进空间。大多数现代电子晶体管需要数十倍的能量来进行开关，而使用单电子来实现类似效率的晶体管则慢得多。

除了性能问题，竞争性的省电电子晶体管还往往需要笨重的冷却设备，这反过来又会消耗电能，并成为运营成本的因素。新的开关方便地在室温下工作，因此规避了所有这些问题。

除了类似于晶体管的主要功能外，该开关还可以作为一个组件，通过在设备之间以光信号的形式传送数据来连接这些设备。它还可以作为一个放大器，将进入的激光束的强度提高到23,000倍。

它是如何工作的

该设备依靠两个激光器将其状态设置为 "0 "或 "1"，并在它们之间进行切换。一束非常微弱的控制激光被用来打开或关闭另一束更明亮的激光。控制光束中只需要几个光子，因此该装置的效率很高。

开关发生在一个微腔内--一个夹在高度反射的无机结构之间的35纳米薄的有机半导体聚合物。微腔的建造方式是为了使进入的光线尽可能长时间地困在里面，以利于它与腔体材料的耦合。

这种光-物质耦合构成了这个新装置的基础。当光子与腔体材料中的束缚电子-空穴对（即激子）强烈耦合时，这就产生了被称为激子-极子的短命实体，它们是开关操作的核心的一种准粒子。

当泵浦激光--两个激光中较亮的一个--照射在开关上时，这会在同一位置产生成千上万个相同的类粒子，形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚物，它编码了该设备的 "0 "和 "1 "逻辑状态。

为了在该设备的两个级别之间进行切换，研究小组在泵浦激光脉冲到来前不久使用了一个控制激光脉冲对凝结物进行播种。结果，它刺激了泵浦激光的能量转换，提高了凝结物的准粒子数量。那里的高量粒子对应于该装置的 "1 "状态。

研究人员使用了几项调整来确保低能耗。首先，半导体聚合物分子的振动帮助了有效的开关。诀窍是将泵浦状态和凝结状态之间的能量间隙与聚合物中一个特定分子振动的能量相匹配。第二，研究小组成功地找到了调谐激光的最佳波长，并实施了一个新的测量方案，实现了单次冷凝物检测。第三，播种凝结物的控制激光器及其检测方案以一种抑制设备的 "背景 "发射的噪声的方式进行匹配。这些措施最大限度地提高了该装置的信噪比水平，并防止过量的能量被微腔吸收，这只会通过分子振动使其升温。

该团队评论说："我们还有一些工作要做，以降低我们设备的整体功耗，目前它是由保持开关的泵浦激光器主导的。实现这一目标的一个途径可能是过氧化物超晶材料，就像我们与合作者一起探索的那些材料。鉴于它们强大的光-物质耦合，这反过来又导致了超荧光形式的强大集体量子反应，它们已被证明是优秀的候选材料。"

在更大的计划中，研究人员认为他们的新开关只是他们在过去几年中一直在组装的不断增长的全光元件工具包中的一个。在其他方面，它包括一个低损耗的硅波导，用于在晶体管之间来回穿梭光信号。这些组件的开发使我们越来越接近光学计算机，它将操纵光子而不是电子，从而产生巨大的优越性能和更低的功率消耗。