光明日报北京7月20日电（记者晋浩天）让一束光在“开”和“关”之间多停留一个状态，是光子计算走向实用化的关键一步。近日，北京大学电子学院彭超团队联合哈尔滨工程大学等单位的团队实现了这一设想——科研人员在直径仅20微米、比头发丝还细的硅基光子晶体微腔中，让一束光表现出了三个稳定状态，切换所需的功率仅240微瓦，还没有一只激光笔的功耗大，并基于此做出了多值光学存储器的原型器件。
“三稳态”是“多稳态”的一种特定形式。彭超介绍，多稳态是指在相同的系统参数和外部环境下，系统可以存在多个稳定状态；借助外部激励或扰动，则可在这些稳定状态之间灵活切换。就像一盏不仅有“开”和“关”，还具有多个稳定亮度档位的灯，每个档位都能自行保持，而适当的控制信号可以使其从一个档位切换到另一个档位。对光来说，多稳态意味着一个存储单元能承载更多信息，不再局限于0和1的二进制，对光子计算和光存储意义重大。但问题是，在微纳尺度芯片上，光的非线性效应极其微弱，让光“听话”地多停几个状态，对器件设计提出了极为苛刻的要求。
面对挑战，团队利用了一个叫作“近奇异点耦合”的物理机制。彭超举例说明：“想象两根音叉，它们的振动频率本来略有差别，但把它们靠得足够近、耦合足够强时，两根音叉会开始同步振动，频率变得完全一致。我们在光子晶体微腔中设计的两个谐振模式，就像这两根音叉，当系统被推向一个叫‘奇异点’的特殊状态时，两个模式高度耦合，波长接近而线宽趋同。正是这个状态，让微腔既能牢牢锁住光，又能高效地与外界交换能量，为光的多稳态铺好了路。”
实验中，团队制备的微腔品质因子高达百万，其就像一个几乎没有泄露的“水池”，光在其中反复振荡才会缓慢衰减。“在240微瓦的极低输入功率下，系统展现出了清晰的三稳态——让输入光功率缓慢升降，输出光不是简单地跟随变化，而是画出明显的‘迟滞回线’，在三个不同的强度台阶上停留。更关键的是，我们展示了多值光学存储器原型：通过微调输入光功率或波长，系统能在三个状态之间快速、可靠地跳转，就像给光装上了三个可以稳定驻留的‘记忆档位’。”彭超说。
彭超认为，这项研究证明，利用精巧的物理设计，哪怕在极小硅基芯片上，也能“驯服”光的非线性，让它表现出丰富的多稳态行为。“这为将来开发能处理更复杂信息的光学神经网络和类脑计算处理器，提供了一种全新基础元件。”
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