单分子捕捉单个光子实现分子间通讯

　　近日，瑞士苏黎世联邦理工学院和德国马克斯•普朗克研究所的科学家用单个光子激发单个分子，实现了两个单分子间的信号传送。在实验中，可让单个分子模拟光频，将单光子流传递给相距数米的另一个分子，如同两个站点之间的无线电通讯。这为开展以单光子作为量子信息载体，由单个发射器进行信息处理的进一步研究铺平了道路。相关研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。
　　过去20年，科学家已证明能探测到单个分子，也能生成单光子。然而，单个分子发现并吸收单光子的几率很低，由光子激发分子仍难以捉摸，因而通常需要每秒释放数十亿光子来轰击分子，才能从中获得一个信号。规避这一物理学难题的一般方式是，在原子周围构建一个腔洞，使光子能够长久囚禁其中，以保持两者良好的互动几率。
　　而此次实验的挑战之一，就是获取具有适当频率和带宽的单光子来源。科研小组利用了一个事实：当一个原子或分子吸收单光子时，它将过渡到激发态。在几纳秒后，激发态将衰变为最初的基态，并放射出单个光子。
　　在实验中，研究人员将两个嵌入有机晶体之中的荧光分子样本冷却至零下272摄氏度。每个样本中的单个分子都能由光谱选择结合空间。为了生成单光子，单个分子将从“源头”样本中激发而出。当分子的激发态衰变时，放射出的光子将紧紧聚集于距离几米之外的另一个“目标”样本之上。为了保证样本中的单个分子能够“看到”入射的光子，研究小组必须保证它们处于同一频率。此外，珍贵的单光子也需要与单个目标分子进行有效地互动。
　　科学家表示，这是两个量子光学天线之间长距离通讯的首个例子。单个分子一般大小为1纳米，而聚集的光束却不能小于数百纳米。这通常意味着大多数的入射光都会环绕分子进行运动，而无需“看见”对方。然而，如果入射光子与分子的量子力学过渡产生共鸣，在这个过程中，分子可像天线一般发挥作用，抓住其附近的光波。

来源：科技日报

新型光子存储让网速更给力

　　据英国《自然》杂志网站2月27日（北京时间）报道，在互联网内行进的数据会在用于传输的光信号线和用于处理的电信号之间来回转换，因此，容易拥堵网络，成为制约网络速度的一个瓶颈。现在，日本科学家研制出了能耗更少、数据保存时间更长的新型光子存储设备，让信息不仅以光信号的形式传播，还能以光信号的形式存储和处理，有望让互联网变得更快速高效。研究发表在《自然•光子学》杂志上。
　　日本电报电话公司（NTT）的科学家多年来一直在研究这样的设备，但以前研制出的设备耗能太多且不能让数据保存很长时间。而新存储单元的能耗仅为30纳瓦，是以前设备的三百分之一；且能让数据保存1微秒，是以前250纳秒的4倍。该研究的主要作者、NTT光子纳米结构研究团队负责人纳富政弥（音译）表示，1微秒已足以对数据进行处理。
　　为了制造出这些光子存储器，科学家们以一块薄磷化铟平板开始其研究。在该平板中央，他们埋进了另一种光子材料—磷化铟镓砷的一段作为存储单元，这段磷化铟镓砷约4微米长、300纳米宽。科学家们在磷化铟上蚀刻了一些纳米小洞，制造出了一个结构，其仅能传输某些波长的光；通过该存储单元中间的一条通路则没有被蚀刻，以引导光进出。当特定波长的光照射在该存储单元上时，磷化铟镓砷的折射率会发生变化，使其仅能传输一种光脉冲。他们使用激光器从光子存储设备上阅读信息或将信息写到光子存储设备上，并使用另一个激光器提供稳定的背景光以帮助存储单元维持其状态。
　　接下来，他们将四个这样的存储单元整合在了同一块芯片上。纳富政弥表示，将一百万个这样的存储单元结合在一起制造出的设备能耗仅为30毫瓦，比闪存150毫瓦左右的平均能耗还低很多。他和同事正尝试添加激光器和光探测器以将更多读和写光子存储单元添加到同一块芯片上。
　　纳富政弥表示：“我们的第一个目标是用这些存储单元制造出网络路由器或服务器中的存储器；接着，我们希望取代高速计算机内的随机存取存储器。”
　　加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系纳米光电导体技术中心的主任常瑞华（音译）教授对NTT研发出的设备表示兴奋。她说：“互联网数据堵塞呈逐年上升的势头，用光子存储单元进行一些数据路由工作势在必行。”
　　总结：
　　尽管半导体制造一直遵循着摩尔定律，在性能上不断提升，但由于其材料电子性能的限制，这种提升空间已经接近极限。信息工业的发展，到了必须依靠质的突破来确保量的提升时刻，否则云计算、物联网等都将是没有效率和资源保障的空中楼阁。量子计算、光子传输和存储都被看作发展方向，寻找新材料和新理论成为了突破口，当前这些研究和突破看似琐碎和渺小，却是支撑战略性新兴信息产业的基础。

来源：科技日报