随着计算需求超越传统电子系统的能力，纳米光子技术已成为推动计算架构发展的一种前景广阔的替代技术。通过利用光子而不是电子，纳米光子系统为下一代应用提供了更高的处理速度、更低的功耗和更好的可扩展性。

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纳米光子学是一个探索纳米尺度光与物质相互作用的跨学科领域，涉及小于 100 纳米的结构。在这一尺度上，光与物质以独特的方式相互作用，产生受量子力学支配的光学现象，如等离子体和光子晶体。这些相互作用促进了对光的精确操纵，推动了高能效计算、传感和光开关技术的创新。

将纳米光子技术集成到计算系统中代表着计算能力的重大进步。纳米光子系统利用光子而非电子进行数据传输和处理，与传统的电子架构相比，性能指标更优越。

多项研究表明，纳米光子互连可实现每秒超过 100 千兆比特的数据传输速率，同时将能耗保持在每比特 50 飞焦耳以下，这标志着与传统电子系统相比有了实质性的改进。

它的应用遍及多个领域，尤其是在人工智能和机器学习等需要密集处理能力的领域。该技术在纳米尺度上操纵光的能力使计算系统能够提高速度、减少延迟并优化能效。

这些特性使纳米光子技术成为未来计算进步的关键驱动力，在满足现代计算应用日益增长的需求的同时，解决了功耗难题。

电子-光子混合处理器芯片的横截面图。图片来源：IBM 新闻室。

高性能计算领域的早期应用

纳米光子学在高性能计算领域，尤其是数据中心和超级计算设施中的应用日益突出。最初的部署重点是用光通信通道取代传统的铜互连，从而减少延迟并提高计算单元之间的带宽。

从电子互连向光学互连的过渡经历了几个阶段。早期的系统采用混合方法，将电子和光学元件结合在一起，以保持与现有基础设施的兼容性，同时引入光通信的优势。

超级计算设施成为纳米光子技术的主要受益者。在超级计算机架构中集成光互连技术有助于开发更紧凑、更高效的系统。

最近的研究表明，系统性能有了显著提高，一些装置的节点间通信速度接近每秒 400 千兆比特。

带有硅光子元件的多核芯片，引导各核之间的数据流量。图片来源：IBM 新闻室： IBM 新闻室。

开创性的技术发展

IBM 的硅纳米光子技术突破

IBM 凭借通过电流控制光信号的集成光子电路成为纳米光子计算领域的先驱。随后，IBM 又取得了多项重要进展，包括小型光缓冲器（2006 年）、低功耗硅光调制器（2007 年）、宽带光开关（2008 年），并于 2010 年成功地在硅芯片上集成了光学和电子元件，从而实现了基于光的通信。

2012 年 12 月，公司利用标准 90 纳米半导体技术在单个硅芯片上集成了光学和电子元件，实现了一个重要的里程碑。

这项创新利用光电探测器、超小型波分复用器、CMOS 电路和调制器等先进元件，实现了超级计算机、数据中心和计算机芯片之间基于光的高速数据传输。

这项技术利用标准 CMOS 代工厂，无需组装多个元件或重新装备工厂。此外，片上波分复用（WDM）器件支持单根光纤内的并行光数据传输，大大降低了互连成本。

新型纳米光子模拟处理器

传统计算架构在能效和解决复杂任务的速度方面举步维艰。然而，最近发表在《自然-通讯物理学》（Nature Communications Physics）上的一项研究开发出了一种纳米光子模拟处理器，利用ε-近零（ENZ）材料和波长拉伸技术，偏微分方程（PDE）的求解精度超过 90%。

该处理器可通过载波注入进行编程，在光通信波段内运行，并以光速处理输入。这种元电子电路方法实现了高速、低能耗、芯片级模拟计算，克服了传统电子架构的局限性，为超快计算提供了一个可重新配置的平台。

麻省理工学院的可编程纳米光子处理器

麻省理工学院的可编程纳米光子处理器是光学计算领域的一大进步。该系统利用马赫-泽恩德干涉仪阵列以光学方式执行矩阵运算，从而实现神经网络计算的快速处理。

研究人员证明，这些处理器可以每秒超过 100 万亿次的速度进行矩阵乘法运算，因此特别适合深度学习应用。

推动纳米光子计算的材料创新

硫酸镉纳米线和超材料等先进材料提高了效率、处理速度和能量耗散，使光子元件能够与半导体技术集成，从而实现可扩展的芯片级处理器。

这些进步为开发高效、紧凑的纳米光子器件提供了支持，使其能够在保持低能耗的同时高速执行复杂的计算任务。

功能纳米线

在发表于《科学进展》（Science Advances）上的一项研究中，研究人员利用由相变材料 Ge2Sb2Te5（GST）和硅制成的杂化有源介电纳米线，开发出了一种光子计算处理器。

当受到光脉冲照射时，这些纳米线会表现出从电阻态到导电态的可逆相变，光的偏振会调整材料的吸收。

这种方法有助于多根纳米线并行计算，利用光的速度和大带宽提高信息存储和处理密度，超越了传统电子系统的局限性。

铌酸锂

铌酸锂已成为纳米光子波导技术的关键材料，其独特的光学和电学特性可实现先进的信号处理。

最近，加州理工学院的研究人员利用这种材料创建了超快系统，实现了每次激活 16 飞焦耳和 75 飞秒的激活时间，大大提高了当前电子系统的计算效率。

这些能力为以前所未有的速度和能效运行的集成光子电路带来了机遇，有望应用于量子信息处理、精密传感和先进计算平台。

消费电子与人工智能的融合

智能手机技术的进步

纳米光子学的影响延伸到消费电子领域，推动了紧凑型高性能成像系统和节能显示技术的进步。

华盛顿大学的研究人员利用一种混合光学系统开发出了纳米光子照相机，该系统将传统透镜与称为 “纳米柱 ”的纳米级结构相结合，有利于亚波长光操纵，从而实现专业品质的成像。这些系统利用人工神经网络消除了笨重的摄像头突起，同时增强了深度感应和弱光性能。

在显示器方面，Nanosys 和 Anders Electronics 等公司为 OLED 屏幕推出了先进的纳米光子材料，可提供更丰富的色彩、更深邃的黑色和更高的亮度，同时降低电池消耗，为智能手机和可穿戴设备提供了重大改进。

人工智能驱动的应用

当前的人工智能时代要求前所未有的计算速度和能效，以处理复杂的算法和庞大的数据处理需求。纳米光子技术通过超快数据处理和高能效操作提供了变革性的解决方案。

俄勒冈州立大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员开发出了具有内在光学双稳态性的发光纳米晶体，可在明暗状态之间快速转换。这些纳米晶体提供了低功耗开关机制，在提高处理速度的同时降低了能耗，从而解决了人工智能硬件所面临的关键能源挑战。

这一突破有望增强机器学习处理器、光电系统和先进计算平台，从而实现更高效、更强大的人工智能技术。

节能计算

纳米光子计算技术与全球推动的可持续和节能解决方案不谋而合。这些系统利用光进行数据传输和处理，最大限度地减少了传统电子电路固有的电阻损耗，从而提出了一种更具可持续性的计算模式。

加州大学戴维斯分校的研究人员证明，全光学纳米光子计算平台可将功耗降低约 1000 倍，同时提高计算速度。这种方法解决了电子电路中的阻抗问题，允许开发全光输入和输出系统，从而重塑了计算能效战略。

量子计算的前景

纳米光子学与量子计算的结合可能是计算技术领域最令人兴奋的前沿领域。

Quandela 和 QuiX 等公司正处于这一创新的前沿。Quandela 正在开发基于量子点的即插即用型单光子发射器，QuiX 正在利用氮化硅（SiN）波导平台创建可重新配置的光子处理器。这些进步为量子信息处理、量子化学和机器学习领域的应用带来了巨大潜力。

然而，这些系统的扩展在保持量子相干性和最大限度减少光路损耗方面面临挑战，促使人们研究更高效的单光子源和增强型波导技术。

纳米光子学通过在纳米尺度上操纵光来改变计算技术，克服了传统限制，在各种应用中实现了前所未有的速度、能效和先进功能。