美國普渡大學研究團隊實現了單光子層面精準控制光束，并以此研發出一種能在單光子強度下工作的“光子晶體管”，這是實現光基技術全部潛力的關鍵一步，可為光子芯片研發與量子計算研究鋪平道路。相關成果發表在最新一期《自然·納米技術》期刊上。

從光纖通信到量子傳感器，光子技術支撐著數字世界的運行。而隨著對更快、更高效計算和通信系統的需求不斷增長，能夠在單光子層面精準控光，無疑是邁向光子時代的至關重要的一步。

長久以來，科學家一直難以實現用單個光子去控制另一束光，因為這就像用一根火柴去點燃一盞探照燈，聽起來幾乎不可能。

此次突破的核心在于，它能讓一個微弱到只有一個光子的控制光束，去調制或開關一束強大的探測光。在此之前，傳統材料的光學非線性效應非常微弱，通常需要極高功率的激光才能讓兩束光相互作用。鑒于此，研究團隊巧妙地利用了商業單光子探測器中常見的“雪崩倍增”原理，當一個光子撞擊硅片時，會像引發雪崩一樣產生多達100萬個電子，從而將微弱的量子信號放大成宏觀上可測量的電流。利用這一過程，團隊實現了光束間的巨大非線性效應，讓單個光子擁有了控制宏觀光束的能力。

該成果優勢顯著。在此基礎上誕生的光子晶體管，能在室溫下穩定工作，不像其他依賴量子系統的方案那樣需要極低溫環境。它能與現有的互補金屬氧化物半導體工藝兼容，這意味著其可以無縫集成到當前的芯片制造流程中，為未來光子芯片打下基礎。此外，它的運行速度極快，可達吉赫茲級別，甚至有望提升到數百吉赫茲，遠超現有方法。

團隊表示，初期使用的仍是商用單光子雪崩二極管，未來他們計劃設計專門優化的器件，以進一步提升性能。

這項技術不僅有望推動量子計算的發展，更可能在經典計算領域引發變革，例如用于構建超高速、低功耗的光子計算機，或在數據中心和光通信系統中取代更慢、更耗電的電子設備。

審核編輯 黃宇