光芯片，用光突破计算瓶颈

芯片，又叫作集成电路，

在指甲盖大小的空间中，能够包含数十亿的电子元件，形成了极其复杂的电路结构 。芯片被用于数据的处理、存储、控制、通信和感知等各个方面，计算机、手机、汽车等设备都依赖芯片来处理数据，执行算法和运行软件程序。面对各种各样的需求，人们制造出了数十万种芯片。

近期，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，在高性能光子芯片制备领域取得了突破性进展，研发了可批量制造的新型光子芯片 ，相关成果及论文发表在了著名国际期刊《自然》上。

微芯片示意。版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷

众多芯片中，光芯片大不一样

芯片依赖电子 在集成电路中的运行来实现各种复杂的功能，芯片内部存在非常多的导线供电子穿梭。光芯片则是利用光在集成光路中的传输来实现各种复杂的功能 ，光芯片主要由发光器件（产生光），光波导（引导光传播的装置）组成。

光芯片结构示意，条纹结构为光波导组成的光芯片单元。图片来源：VLC Photonics

光波导是光在从一种介质传播到另一种介质时偶尔会发生的全反射现象。比如，当光从水传播到空气时，只要光与介质分界面所成角度到达特定范围，就会发生全反射现象，利用该现象能够制成引导光波前进的结构就叫作光波导。

光线在玻璃当中不断全反射。图片来源：wikipedia

现有芯片的种类和功能已经很完善了，为什么还要用光子芯片来替代传统芯片呢？这是因为芯片的性能已经无法满足人们在高速通信和人工智能方面的需求。

光子芯片的特点

与传统芯片对比，光子芯片如同光纤通信线路对比传统的通信电缆。 光纤能够传输更多的数据量，一根光纤所传输的数据量相当于数十根传统信号电缆 。

光纤传输中的光信号能够在长距离传输时保持较高的质量，相比之下信号电缆需要消耗更多的能量，且信号质量也会下降。光子芯片在传输速度，能耗方面相比于传统的芯片也有很大的优势 。

1.速度快

光的传播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能够传播 299792.458 千。相比之下，电信号在电路中的传输速度大约是光速的三分之二到四分之三，随着电路温度的升高，速度还会下降。

中国网民用户数目多达 10.92 亿，互联网产生了各种软件，使用这些软件所产生的数据量是巨大的。海量数据被上传至软件公司建立的数据中心进行处理，数据中心由众多高性能计算机（又叫服务器）组成，服务器之间需要快速交换大量数据。

把服务器比作水缸，水缸间需要通信芯片作为“水管”，将水缸连接在一起，如果水管太细（通信芯片速度无法满足需求），那么水缸的水就无法及时流入或排出，个别水缸水溢出时，也就发生了服务器崩溃（软件没法用了）。光芯片的出现，能够使得服务器之间以及数据中心与外界进行快速的数据交换。

光通信芯片及其结构显微图。图片来源：参考文献 2

2.能耗低

传统芯片进行运算时，电子在电路中运动会产热，高性能运算芯片的耗电量非常高，目前是制约芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驱动散热部件。为了散热，有的公司甚至将他们的数据中心建在了海底，利于海水冷却电子设备。

被打捞出来检修的水下数据中心。图片来源：microsoft

当前，训练人工智能大模型也面临着芯片性能和电力消耗的制约，为了解决这一问题，当前有两种思路。 一是光芯片与传统芯片的混合集成，传统芯片作为单个的计算单元，光芯片负责计算单元之间的高速通信桥梁，建立集群运算，有效提高运算速度，同时功耗的增加也在可接受范围内。二是设计制造光计算芯片，突破传统的微电子处理器芯片性能瓶颈。

结语

总而言之，光芯片作为继传统微电子芯片后，信息技术的又一重要支撑，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都极具潜力 。

从华人科学家、光纤之父高锟在 1966 年提出光纤用于长距离通信的理念，到 1970 年代末光纤开始商业化推广，经历了二十余年，光纤的传输损耗也降低为最初的 1% 。同样地，光子芯片的实用化与商业化势在必行。

参考文献

[1] Wang C , Li Z , Riemensberger J ,et al.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing[J].Nature, 2024, 629(8013):784-790.

[2] Meister S ,Bülent Franke, Eichler H J ,et al.Photonic Integrated Circuits for Optical Communication[J].Optik & Photonik, 2012, 7(2):59-62.

[3]S.O.Kasap.光电子学与光子学[专著] : 原理与实践 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].电子工业出版社,2016.

策划制作

出品丨科普中国

作者丨海里的咸鱼 中国科学院长春光机所光学硕士

监制丨中国科普博览

责编丨何通

审校丨徐来、林林

俄媒爆料称在大学首台世界上运行速度最快的“光速芯片”样机问世

当西方世界对俄罗斯施加最严厉的经济制裁时，谁能想到，俄罗斯还能在科技领域迎来重大的突破？是逆风而行的勇气，还是科技领域的天才妙手？这就是我们今天要探讨的核心问题。

自乌克兰危机爆发以来，西方国家尤其是美国对俄罗斯实施了前所未有的经济制裁，试图将其逼入绝境。

金融封锁、贸易禁运、技术限制，所有的手段无所不用其极。

普通老百姓或许觉得，这样的封锁会让俄罗斯举步维艰。

然而，在这样的环境下，俄罗斯并没有停下前进的脚步，反而在科技领域取得了令人惊叹的成就。

就在这种严峻的国际环境下，俄罗斯南乌拉尔国立大学的专家学者们交出了一份闪亮的答卷。

他们成功研制出了世界上运行最快的第一台量子计算机信息处理器样机，这是一台“光速芯片”刻录机样机。

你没看错，就是“光速”！这种突破不但振奋了俄罗斯人民的心，也震惊了整个科技界。

6月13日，据俄罗斯媒体报道，这一项目已经获得了一项国家发明专利。

这意味着，俄罗斯在量子计算机领域的技术领先地位已经得到官方认可。

想想看，在那些高精尖的实验室里，俄罗斯的科学家们顶住了巨大的压力，用智慧和汗水铸造出了这样一件科技神器。

那么，这台“光速芯片”到底是什么黑科技呢？让我们来揭秘一下。

南乌拉尔国立大学正在研究开发基于新型大规模八信道干涉仪的程序设计工程项目。

听起来是不是有点绕？ 其实简单来说，这就是一种对收到的光信号进行加工处理的“光子芯片”技术，它在量子计算机的运行中起到了关键作用。

光量子工程实验室主任谢尔盖伊·库里克教授是这一项目的发明者之一。

库里克教授之前曾与莫斯科国立大学量子技术工艺研究中心的同行们进行过合作研究。

两校合作，碰撞出了非凡的火花。

更牛的是，这一研究成果已经发表在国际科学期刊《Photonics Research》上，这可不是一般的认可，是全球科学界对他们成就的高度肯定。

那这个设备到底长啥样？简单来说，它是一个程序化的多路干涉仪，由玻璃制成。

别看它外表朴素，里面可大有乾坤。

这种设备设计用于精准、神速、密实紧凑地实现借助于光磁场形成的编码符号信息加工。

想象一下，光信号在玻璃芯片内部飞速穿梭，经过无数次的交叉作用，生成新的操控信号。

这种科技的神奇之处，就像是让光跳起了芭蕾舞。

这个“光速芯片”的工作原理也非常迷人。

简单来说，在玻璃芯片内部将产生波导管，形成一些路径并将光信号导入通道。

在不计其数个通道相互交叉作用下，干涉信号将进入芯片，并产生具有一定操控性能的新信号。

这么多交叉通道，就像一张复杂的网络，让光信号在其中快速而精准地穿梭。

专家们的设想也相当前卫。

他们希望通过激光瞬间烧透玻璃芯片，引发信号结构的变化，在这一过程中创建程序芯片，并基于热电效应实现持续进行编程程序运行。

简单来说，就是用激光打破旧的结构，创造新的信号路径，让光子在其中自由舞动。

这样的编程方式，真是前所未有的创新。

说到测试表现，这台“光速芯片”更是牛得不得了。

在长达133个小时的测试试验过程中，设备的加热元器件进行了约270万次转换运行。

想象一下，这种高频率的运行中，设备竟然保持了极高的稳定性和准确性，没有出现任何差错。

这种表现，不仅展示了俄罗斯科学家的智慧和努力，也让全世界看到了量子计算机技术的无限潜力。

不仅如此，类似的科技突破在历史上也并不罕见。

比如，美国的谷歌在2019年宣布他们的量子计算机“悬铃木”实现了“量子霸权”，能够在200秒内完成传统计算机需要一万年才能完成的任务。

而这次俄罗斯的“光速芯片”突破，也许会让人们重新思考科技发展的速度和潜力。

毕竟，历史总是充满了惊喜和意外。

俄罗斯的这一技术突破无疑将在国际科技界引起广泛的关注和讨论。

虽然西方的经济制裁如同大山压顶，但俄罗斯用科技创新证明了自己的实力和韧性。

这一突破不仅提升了俄罗斯在量子计算领域的国际地位，也为全球科技发展注入了新的活力。

南乌拉尔国立大学的科学家们对此技术寄予厚望。

他们认为，尽管量子设备全面普及或许还需要十年的时间，但这一发明已经为未来的发展奠定了坚实的基础。

这样的信心，源自于他们对科技的热爱和对未来的憧憬。

未来，这一“光速芯片”技术有望在更多领域中得到应用。

从医疗设备到通信技术，从人工智能到大数据处理，量子计算的应用前景几乎无所不包。

对于俄罗斯而言，这不仅是一次技术的突破，更是一次国家实力的展示。

总的来说，这次俄罗斯在量子计算领域的重大突破，再次证明了科技创新的无限可能。

即便在困境中，只要有梦想和毅力，任何奇迹都可能发生。

让我们期待，未来会有更多的科技奇迹，为我们的生活带来更多惊喜和改变。

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