美國賓夕法尼亞大學研究團隊攻克了光子計算領域關鍵難題：創造出一種可進行計算的混合光物質粒子，首次實現了計算所需的全光信號切換。這一突破為未來超高速、低能耗的AI硬件乃至量子計算芯片奠定了物理基礎。相關研究論文發表在最新一期《物理評論快報》上。

光子因其高速、低損耗的特性主導了現代通信，但其弱相互作用性一直是計算應用的短板。這項研究通過將光與原子級薄半導體材料中的電子強耦合，形成了被稱為“激子—極化子”的混合粒子。該粒子兼具光的高速傳播特性與物質的強相互作用能力，從而克服了傳統光子難以進行邏輯運算的關鍵障礙。

研究團隊在實驗中演示了基於激子—極化子的全光開關操作，其單次切換能耗僅為約4飛焦耳（4×10-15焦耳），能量消耗極低。這一突破對於AI硬件發展具有特殊意義。目前多數光子AI芯片雖能用光執行線性計算，但在執行非線性激活函數等關鍵決策步驟時，仍需將光信號轉換回電子信號，這種反覆轉換過程嚴重製約了光子計算的速度與能效優勢。新方案有望實現從光輸入到光處理的全流程光子計算，避免信號轉換帶來的損耗。

當前，隨着AI對算力需求的爆炸式增長，電子器件的物理極限日益凸顯：電子因攜帶電荷而產生電阻和熱量，高密度集成與大數據處理面臨功耗與散熱挑戰。光子作為電子的無質量、電中性夥伴，在通信領域已佔據主導，但其與環境相互作用極弱的特性，長期以來阻礙了其在計算邏輯中的應用。

此次，團隊的工作正是為了突破這一瓶頸。他們構建的納米尺度光學腔與原子級薄半導體材料相結合，使光與物質發生強相互作用，產生的激子-極化子準粒子足以執行計算所需的信號開關操作。

該技術若成功規模化，將使計算芯片能夠直接處理來自攝像頭等傳感器的光信號，大幅降低大型AI系統的功耗，併為在芯片上實現基礎的量子計算操作提供可能路徑。

光雖然跑得快，但沒法做邏輯運算。在執行一些關鍵步驟時，即使是光子芯片，也要將光信號改為電信號。此次，科研人員將光和一種極薄的材料“綁定”在一起，創造出一種混合粒子。這種粒子既保留了光傳輸速度快、能量損耗小的優點，又能像電子那樣跟周圍粒子發生相互作用，從而可以直接在芯片上完成開關、邏輯運算等計算任務。這種轉變能大幅提升AI硬件的速度並降低能耗。未來若成功規模化，還可為芯片上的量子計算開闢新路徑。