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新的光学设备允许工程师对光的颜色进行微调

2021-05-02 00:17 · 稿源:cnbeta

任何一个小学理科生学到的第一课就是白光根本不是白的,而是许多光子的组合,这些构成光的小能量滴,来自彩虹的每一种颜色--红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。现在,斯坦福大学的研究人员已经开发出一种光学装置,允许工程师改变和微调光流中每个单独光子的频率,使之成为他们想要的几乎任何颜色的混合物。

这项成果于2021年4月23日发表在《自然通讯》上,是一种新的光子结构,可以改变从数字通信和人工智能到尖端量子计算等领域。

"斯坦福大学电气工程系教授、该论文的资深作者Shanhui Fan说:"这个强大的新工具使工程师掌握了以前不可能实现的控制程度。

该结构由一条低损耗的光缆组成,它携带着光子流,就像繁忙通道上的许多车辆一样经过。然后光子进入一系列的环,就像高速公路枢纽的四叶草造型。每个环都有一个调制器,用于转换经过的光子的频率--我们的眼睛将其视为颜色的频率。有多少个环就有多少个,工程师可以精细地控制调制器,以拨出所需的频率转换。

研究人员设想的应用包括用于人工智能的光学神经网络,该网络使用光而不是电子进行神经计算。完成光学神经网络的现有方法实际上并没有改变光子的频率,而只是重新安排了单一频率的光子。研究人员说,通过频率操纵来进行这种神经计算可能导致更紧凑的设备。

光子的颜色是由光子的共振频率决定的,而共振频率又是其波长的一个因素。一个红色光子的频率相对较慢,波长约为650纳米。在光谱的另一端,蓝光的频率快得多,波长约为450纳米。

一个简单的转变可能涉及将一个光子从500纳米的频率转移,比如说,510纳米,或者正如人眼所记录的那样从青色变为绿色。斯坦福大学团队的架构的力量在于,它可以进行一些简单的转换,也可以通过精细控制进行更复杂的转换。

为了进一步解释,Fan提供了一个例子,即一个由20%的500纳米范围的光子和80%的510纳米范围的光子组成的入射光流。使用这种新设备,如果需要的话,工程师可以将该比例微调为500纳米的73%和510纳米的27%,同时保留光子的总数。或者比例可以是37%和63%,就这一点而言。这种设置比例的能力是使这个设备新颖和有前途的原因。此外,在量子世界中,一个光子可以有多种颜色。在这种情况下,新设备实际上允许改变单个光子的不同颜色的比例。

这个设备允许任意转换,但这并不意味着随机,相反,这可以实现工程师要求的任何线性转换。这里有大量的工程控制。它的用途非常广泛。工程师可以非常准确地控制频率和比例,而且可以进行各种各样的转换。

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