光開(kāi)關(guān)納米晶體點(diǎn)亮人工智能和計(jì)算的未來(lái)

研究人員發(fā)現(xiàn)了能在不同發(fā)光狀態(tài)之間迅速切換的納米晶體，為光學(xué)計(jì)算帶來(lái)了可喜的進(jìn)步。

這項(xiàng)技術(shù)將徹底改變數(shù)據(jù)處理和人工智能，使設(shè)備更快、更節(jié)能，同時(shí)拓展電信和醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的能力。

納米晶體技術(shù)的突破

科學(xué)家們，包括俄勒岡州立大學(xué)的一名化學(xué)研究人員，在實(shí)現(xiàn)更快、更節(jié)能的人工智能和數(shù)據(jù)處理方面取得了重大突破。他們發(fā)現(xiàn)了可以在明暗狀態(tài)之間快速切換的發(fā)光納米晶體。

俄勒岡州立大學(xué)理學(xué)院助理教授 Artiom Skripka 說(shuō)：“這些納米晶體非凡的切換和記憶能力有朝一日可能會(huì)成為光學(xué)計(jì)算不可或缺的一部分——一種利用光粒子快速處理和存儲(chǔ)信息的方法，而光粒子的傳播速度比宇宙中任何東西都快�！�

1月3日發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上的這項(xiàng)研究由 Skripka 和來(lái)自勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、哥倫比亞大學(xué)和馬德里自治大學(xué)的合作者共同完成。他們的研究重點(diǎn)是雪崩納米粒子，這是一種具有非凡發(fā)光特性的獨(dú)特材料。

探索雪崩納米顆粒

納米材料是尺寸介于十億分之一米到千億分之一米之間的微小物質(zhì)，而雪崩納米粒子的發(fā)光特性具有極強(qiáng)的非線(xiàn)性——它們發(fā)出的光的強(qiáng)度可以隨著激發(fā)它們的激光強(qiáng)度的微小增加而大幅增加。

研究人員研究了由鉀、氯和鉛組成并摻雜釹的納米晶體。KPb2Cl5 納米晶體本身并不與光發(fā)生相互作用；但是，作為宿主，它們能使釹客體離子更有效地處理光信號(hào)，從而使它們?cè)诠怆娮訉W(xué)、激光技術(shù)和其他光學(xué)應(yīng)用中大顯身手。

圖片:Optical-Memory-Nanocrystals-scaled.png

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)納米晶體可以存儲(chǔ)完全通過(guò)光寫(xiě)入和讀取的信息，使其可用于構(gòu)建小型和可擴(kuò)展的光學(xué)存儲(chǔ)單元。這些納米晶體由激光器控制：一個(gè)提供連續(xù)功率，而另一個(gè)觸發(fā)它們?cè)诙虝好}沖后發(fā)光。此功能模擬電子晶體管的行為，并為光控制光的設(shè)備鋪平了道路。

發(fā)光材料的奇特行為

Skripka 說(shuō)：“通常，發(fā)光材料在受到激光激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)光，而在沒(méi)有受到激光激發(fā)時(shí)則保持黑暗。相比之下，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，我們的納米晶體過(guò)著平行的生活。在特定條件下，它們表現(xiàn)出一種奇特的行為： 在完全相同的激光激發(fā)波長(zhǎng)和功率下，它們可以變亮，也可以變暗�！�

這種行為被稱(chēng)為固有光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)。納米晶體的固有光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)性是光子集成電路的一大進(jìn)步，它可能會(huì)超越目前的電子和光電系統(tǒng)，并具有更高的效率。

推進(jìn)高能效技術(shù)

Skripka說(shuō)：“如果晶體一開(kāi)始是暗的，我們就需要更高的激光功率來(lái)開(kāi)啟它們并觀察發(fā)射，但一旦它們發(fā)射了，我們就可以用比開(kāi)啟它們所需的激光功率更低的激光功率來(lái)觀察它們的發(fā)射。這就像騎自行車(chē)一樣--要讓自行車(chē)動(dòng)起來(lái)，你必須使勁踩腳踏板，但一旦自行車(chē)動(dòng)起來(lái)，你就不需要那么費(fèi)力就能讓它繼續(xù)前進(jìn)。它們的發(fā)光可以突然開(kāi)啟或關(guān)閉，就像按下按鈕一樣。”

他補(bǔ)充說(shuō)，納米晶體的低功耗開(kāi)關(guān)功能與全球?yàn)闇p少人工智能、數(shù)據(jù)中心和電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的能耗所做的努力不謀而合。人工智能應(yīng)用不僅需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，還經(jīng)常受到現(xiàn)有硬件的限制，而這項(xiàng)新研究也可以解決這一問(wèn)題。

對(duì)光學(xué)計(jì)算的影響

Skripka 說(shuō)：“集成具有內(nèi)在光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)性的光子材料可能意味著更快、更高效的數(shù)據(jù)處理器，從而增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)分析能力，這也意味著在電信、醫(yī)療成像和環(huán)境傳感等領(lǐng)域使用的光基設(shè)備效率更高�！�

此外，他還說(shuō)，這項(xiàng)研究補(bǔ)充了現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大的通用光學(xué)計(jì)算機(jī)的工作，這些計(jì)算機(jī)是基于光和物質(zhì)在納米尺度上的行為，并強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)研究在推動(dòng)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方面的重要性。

Skripka說(shuō)：“我們的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)令人興奮的發(fā)展，但在我們的發(fā)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中找到用武之地之前，還需要更多的研究來(lái)解決可擴(kuò)展性和與現(xiàn)有技術(shù)整合等挑戰(zhàn)�！�

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