服务案例

宾夕法尼亚大学的研究人员成功研发出了一种具有开创性的光子开关，这一成果能够显著提高光纤网络中数据传输的效率和速度。

通过将非厄米物理原理与硅基设计相结合，这种光子开关不仅增强了对光行为的精准控制能力，而且实现了与当前技术基础设施的良好兼容性，有望为人们带来更快速的互联网服务以及更高效的数据中心。

光子开关技术的突破

每一秒钟都有海量的数据产生，这些数据量足以同时下载数千部电影，它们以光脉冲的形式在世界各地的光纤电缆中传播。光纤电缆就如同超高速的高速公路一般，而当数据传输至数据中心这个目的地时，就需要一个高效的系统来引导数据，就像交通信号灯引导汽车有序地离开高速公路一样。

长期以来，传输这些光信号的光子开关在尺寸和速度之间面临着艰难的权衡。尺寸更大的交换机虽然能够以更高的速度处理更多的数据，但会消耗更多的能量，占用更多的空间，并且增加成本。

加快建设信息高速公路

在发表于《自然光子学》的一项重大突破中，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究团队开发出了一种新型光子开关，成功克服了上述挑战。这种新型交换机的单位尺寸仅为85×85微米，比一粒盐还小，它将彻底改变数据在全球网络中的传输模式。

通过在纳米尺度上以前所未有的效率操纵光，这种新型开关大大加快了环绕全球的光纤电缆这一信息高速公路上的数据传输过程。正如材料科学与工程（MSE）和电气与系统工程（ESE）教授、该论文的资深作者梁峰（音译）所说：“这有可能加速从流媒体电影到训练人工智能等各类应用。”

利用非厄米物理

这种新型开关依赖于非厄米物理，这是量子力学的一个分支领域，它主要研究某些系统如何以不寻常的方式运行，从而让研究人员能够更好地控制光的行为。“我们可以通过调整材料的增益和损失，将光信号准确地引导到正确的信息高速公路出口，”ESE的博士生、该论文的第一作者冯锡林（音译）解释道。换句话说，独特的物理原理使得研究人员能够控制微小芯片上的光流，进而精确掌控任何基于光的网络连接。

结果表明，新的开关能够在万亿分之一秒内以极小的功耗完成信号重定向。“这比眨眼的速度快10亿倍，”MSE的博士生、该论文的合著者吴爽（音译）说道。“以前的开关要么体积小要么速度快，但要同时具备这两种特性是极其困难的。”

硅集成的优势

这种新型开关的另一个突出特点是部分由硅制成，硅是一种廉价且广泛应用的工业标准材料。“非厄米开关以前从未在硅光子学平台上得到过验证，”吴爽介绍说。

从理论上来说，将硅集成到开关中有利于实现大规模生产和在工业领域的广泛采用。毕竟，从电脑到智能手机，硅是大多数技术的关键组成部分；使用硅制造器件能够使其与现有的硅光子代工厂完全兼容，而这些代工厂负责为图形处理单元（GPU）等设备制造先进的芯片。

器件制造的挑战

在硅层的顶部，开关由一种特殊类型的半导体构成，这种半导体是由砷化铟镓磷化物（InGaAsP）制成的，该材料在操纵红外波长的光方面表现尤为出色，例如那些通常在海底光缆中传输的光。

将这两层连接起来极具挑战性，需要多次尝试才能构建出一个正常工作的原型。“这就像制作三明治一样，”冯锡林形象地说，他指的是一层一层地叠加组装的过程。只不过，在这种情况下，如果这些层中的任何一层出现哪怕一点点错位，整个“三明治”就无法正常使用了。“校准需要达到纳米级的精度，”吴爽强调道。

数据中心转型

研究人员表示，最终，这种新型交换机不仅会让学术物理学家受益，使他们能够进一步探索转换所依赖的非厄米物理学，还将惠及维护和建设数据中心的公司以及依赖这些数据中心的数十亿用户。梁峰表示：“只有在我们能够有效控制数据的情况下，数据才能以最快的速度运行。”“在我们的实验中，我们已经证明了我们系统的速度限制仅为100皮秒。”