這種“半光半物質(zhì)”粒子，有望補(bǔ)上AI光計(jì)算最后一塊拼圖

1946 年，賓夕法尼亞大學(xué)的 J.Presper Eckert 和 John Mauchly 讓 ENIAC 正式亮相。這臺(tái)機(jī)器用電子的流動(dòng)求解彈道方程，開啟了電子計(jì)算的時(shí)代。

80 年后的 2026 年 4 月，同一所大學(xué)的物理學(xué)家 Bo Zhen 團(tuán)隊(duì)在 Physical Review Letters 發(fā)表了一項(xiàng)工作：他們?cè)斐鲆环N半光半物質(zhì)的混合準(zhǔn)粒子——激子－極化激元（exciton–polariton），用大約 4 飛焦（fJ，即 4×10?1? 焦耳）的能量完成了光信號(hào)的全光開關(guān)切換。這個(gè)能量比短暫點(diǎn)亮一顆微型LED 還小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

從電子到光子，賓大用了 80 年走了一個(gè)圈。只不過這一次要解決的不是彈道計(jì)算，而是 AI。

圖丨相關(guān)論文（來源：Physical Review Letters）

AI 的算力需求正在把電網(wǎng)推向極限。IEA 數(shù)據(jù)顯示，2025 年全球數(shù)據(jù)中心用電量同比增長(zhǎng) 17％，預(yù)計(jì)到 2030 年將翻倍至約 950 太瓦時(shí)。根源在電子本身：帶電荷，移動(dòng)就有電阻，電阻就生熱，芯片越密集，散熱越難。

光子是一個(gè)天然的替代選項(xiàng)，它不帶電、無(wú)靜止質(zhì)量、以光速傳輸且?guī)缀醪话l(fā)熱。光子早已統(tǒng)治了通信，全球互聯(lián)網(wǎng)的骨干就是光纖；但要讓光子從“搬運(yùn)工”升級(jí)為“計(jì)算者”，卡在了一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題上：光子之間幾乎不互動(dòng)。

這恰好是光子最大優(yōu)勢(shì)的反面?！肮庾邮请娭行缘?，能快速、低損耗地遠(yuǎn)距離傳輸信息，”論文共同第一作者、前賓大博士后 Li He（現(xiàn)蒙大拿州立大學(xué)助理教授）向媒體解釋，“但這種電中性也意味著它們幾乎不與環(huán)境互動(dòng)，做不了計(jì)算機(jī)依賴的信號(hào)開關(guān)邏輯?！?/p>

這個(gè)矛盾對(duì)光子 AI 芯片來說尤其致命。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算分兩步：線性運(yùn)算（矩陣乘法）和非線性激活（類似“做判斷”）。光子天生擅長(zhǎng)前者，用干涉和衍射就能做矩陣乘法，速度極快、能耗極低。曦智科技、Lightmatter 等公司已經(jīng)把光子矩陣乘法芯片推向商業(yè)化。在線性計(jì)算這一步，光子已經(jīng)證明了自己。

但非線性激活需要信號(hào)之間互相影響，一個(gè)信號(hào)要能改變另一個(gè)信號(hào)的狀態(tài)。電子天生做得到，因?yàn)樗鼛щ?、彼此排斥，而光子做不到。結(jié)果是，許多現(xiàn)有光子 AI 芯片，在完成矩陣乘法后，不得不把光信號(hào)轉(zhuǎn)回電信號(hào)，交給電子器件完成非線性激活，再轉(zhuǎn)回光信號(hào)進(jìn)入下一層網(wǎng)絡(luò)。

這種“光－電－光”的反復(fù)轉(zhuǎn)換，恰好把光子計(jì)算的速度和能效優(yōu)勢(shì)吃掉了大半。MIT 此前開發(fā)過混合光電的非線性功能單元（NOFU）來緩解這個(gè)問題，新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì) 2026 年 3 月也報(bào)告了用鈮酸鋰波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)全光激活的方案。各路人馬都在攻同一道關(guān)：讓光不變回電子，就能完成“判斷”。

賓大團(tuán)隊(duì)的思路不同于上述任何一種。他們沒有試圖讓光子直接產(chǎn)生非線性，而是給光子“嫁接”了一個(gè)會(huì)互動(dòng)的搭檔。

具體做法是，把一層原子級(jí)厚度的硒化鉬（MoSe?）半導(dǎo)體薄膜放到一個(gè)氮化硅光子晶體納米腔上。納米腔的模式體積只有約 0.05 立方微米，比傳統(tǒng) DBR 腔小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

在如此狹小的空間里，光子被強(qiáng)制與 MoSe? 中的激子（電子－空穴對(duì)的束縛態(tài)）發(fā)生強(qiáng)耦合，融合成既非純光也非純物質(zhì)的混合準(zhǔn)粒子——激子－極化激元。這種粒子繼承了光子的速度和激子的互動(dòng)能力：兩個(gè)極化激元相遇時(shí)，物質(zhì)成分讓它們能“感受到”彼此，產(chǎn)生非線性響應(yīng)。

（來源：Physical Review Letters）

團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了約 4fJ 的全光開關(guān)切換能量，比此前 2D 激子-極化激元系統(tǒng)報(bào)道的皮焦量級(jí)閾值低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)；泵浦－探測(cè)光譜顯示，開關(guān)動(dòng)作在幾皮秒內(nèi)完成，受限于激子壽命而非器件本身。團(tuán)隊(duì)還通過電學(xué)門控（gate tuning）調(diào)節(jié) MoSe? 的摻雜狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了從強(qiáng)耦合到弱耦合的可控切換。

這項(xiàng)工作和光子計(jì)算芯片之間其實(shí)是一種互補(bǔ)關(guān)系。后者已經(jīng)在線性矩陣運(yùn)算上證明了光的優(yōu)勢(shì)，但在非線性環(huán)節(jié)仍然依賴電子器件。賓大團(tuán)隊(duì)展示的極化激元全光開關(guān)，恰好針對(duì)的就是這個(gè)缺失環(huán)節(jié)。

如果極化激元器件未來能集成到光子芯片上，就有可能讓整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理過程全部在光域完成，不再需要“光－電－光”的反復(fù)轉(zhuǎn)換。論文中也提到，該系統(tǒng)有望加速全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使計(jì)算更完整地留在光域中完成。

但距離這個(gè)愿景成為現(xiàn)實(shí)，還有幾道現(xiàn)實(shí)關(guān)卡。這次實(shí)驗(yàn)在 4K（零下 269℃）低溫下進(jìn)行，商用芯片顯然不能依賴液氦冷卻。目前的器件只是單個(gè)納米腔的演示，距離大規(guī)模陣列集成還需要跨越工程量級(jí)。

論文作者也坦承，當(dāng)前約 4fJ 的開關(guān)能量對(duì)應(yīng)腔內(nèi)約 10 的 4 次方個(gè)極化激元，還需要再降兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，才能接近量子非線性極限。他們提出了具體改進(jìn)路徑：在材料端，用三離子（trion）或莫爾激子（moiré exciton）替代中性激子，非線性響應(yīng)可提升一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)；在光子器件端，采用折射率更高的絕緣體上 InGaP 平臺(tái)（折射率 3.4，遠(yuǎn)高于氮化硅的 2.17），可以進(jìn)一步壓縮模式體積、延長(zhǎng)極化激元壽命。

光子計(jì)算正處于一個(gè)微妙的時(shí)刻。產(chǎn)業(yè)端的投入在加速，但全光非線性這個(gè)底層物理問題仍未被工程化地解決，光子芯片在關(guān)鍵的“判斷”環(huán)節(jié)依然要退回電子世界。賓大這項(xiàng)工作提供了一條可能的出路，但從 4K 低溫下的單器件，到室溫芯片上的大規(guī)模集成，中間隔著的不只是工程優(yōu)化，還有材料科學(xué)和光子學(xué)的基礎(chǔ)性挑戰(zhàn)。

參考資料：

1.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gc15-qsvf#fulltext

2.https://penntoday.upenn.edu/news/making-light-work-computing

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成