新的光學設備允許工程師對光的顏色進行微調
任何一個小學理科生學到的第一課就是白光根本不是白的,而是許多光子的組合,這些構成光的小能量滴,來自彩虹的每一種顏色–紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。現在,斯坦福大學的研究人員已經開發出一種光學裝置,允許工程師改變和微調光流中每個單獨光子的頻率,使之成為他們想要的幾乎任何顏色的混合物。
這項成果於2021年4月23日發表在《自然通訊》上,是一種新的光子結構,可以改變從數字通信和人工智能到尖端量子計算等領域。
“斯坦福大學電氣工程系教授、該論文的資深作者Shanhui Fan說:”這個強大的新工具使工程師掌握了以前不可能實現的控製程度。
該結構由一條低損耗的光纜組成,它攜帶著光子流,就像繁忙通道上的許多車輛一樣經過。然後光子進入一系列的環,就像高速公路樞紐的四葉草造型。每個環都有一個調製器,用於轉換經過的光子的頻率–我們的眼睛將其視為顏色的頻率。有多少個環就有多少個,工程師可以精細地控制調製器,以撥出所需的頻率轉換。
研究人員設想的應用包括用於人工智能的光學神經網絡,該網絡使用光而不是電子進行神經計算。完成光學神經網絡的現有方法實際上並沒有改變光子的頻率,而只是重新安排了單一頻率的光子。研究人員說,通過頻率操縱來進行這種神經計算可能導致更緊湊的設備。
光子的顏色是由光子的共振頻率決定的,而共振頻率又是其波長的一個因素。一個紅色光子的頻率相對較慢,波長約為650納米。在光譜的另一端,藍光的頻率快得多,波長約為450納米。
一個簡單的轉變可能涉及將一個光子從500納米的頻率轉移,比如說,510納米,或者正如人眼所記錄的那樣從青色變為綠色。斯坦福大學團隊的架構的力量在於,它可以進行一些簡單的轉換,也可以通過精細控制進行更複雜的轉換。
為了進一步解釋,Fan提供了一個例子,即一個由20%的500納米範圍的光子和80%的510納米範圍的光子組成的入射光流。使用這種新設備,如果需要的話,工程師可以將該比例微調為500納米的73%和510納米的27%,同時保留光子的總數。或者比例可以是37%和63%,就這一點而言。這種設置比例的能力是使這個設備新穎和有前途的原因。此外,在量子世界中,一個光子可以有多種顏色。在這種情況下,新設備實際上允許改變單個光子的不同顏色的比例。
這個設備允許’任意’轉換,但這並不意味著’隨機’,相反,這可以實現工程師要求的任何線性轉換。這裡有大量的工程控制。它的用途非常廣泛。工程師可以非常準確地控制頻率和比例,而且可以進行各種各樣的轉換。