《薄荷热恋》沐知春

48、光子计算的突破 ###

　　#### 第四十八章：光子计算的突破
　　TSV工艺的突围，为“奇点”芯片扫清了量产的最后障碍。但江知夏的目光，早已投向了更遥远的未来——光子计算。
　　在松山湖的实验室里，江知夏正盯着一台精密的光学测试台。屏幕上，光信号的波形杂乱无章，像一团乱麻。
　　“还是不行。”光子组的张工叹了口气，“非线性效应太弱了。光子和光子之间几乎不发生相互作用，就像两束手电筒的光交叉穿过，互不干扰。没有相互作用，就实现不了逻辑运算。”
　　这是光子计算最大的物理瓶颈。
　　电子之间可以通过电场轻松相互作用，实现“与、或、非”等逻辑门。但光子是玻色子，它们倾向于“和平共处”，很难发生碰撞和干涉。
　　“我们需要一种材料，能让光‘慢’下来，甚至‘停’下来，强迫它们发生相互作用。”江知夏盯着屏幕，喃喃自语。
　　“慢光？”张工苦笑，“江总，这需要在材料里制造极端的色散环境。目前的铌酸锂薄膜虽然不错，但还达不到那个效果。”
　　“那就换材料。”江知夏突然说，“我们试试‘里德堡原子’。”
　　“里德堡原子？”张工愣住了，“那是原子物理实验室里的东西，需要超高真空和激光冷却，怎么可能集成到芯片上？”
　　“为什么不能？”江知夏眼中闪过一丝疯狂的光芒，“北大常林团队最近在《自然·电子学》上发了一篇文章，他们利用‘光频梳’技术，在芯片上实现了100GHz的主频调控。虽然他们做的是时钟芯片，但原理是相通的。”
　　江知夏迅速调出那篇论文的数据：“他们利用微环谐振腔，把光锁在极小的空间里循环奔跑。如果我们在这个微环里，填充一种特殊的‘量子气体’，比如铷原子蒸气，利用里德堡阻塞效应，就能让光子之间产生极强的相互作用。”
　　“在芯片上充气体？”张工觉得这简直是天方夜谭，“这工艺怎么搞？封装一漏气，全完了。”
　　“我们可以用‘空心光子晶体光纤’的技术。”江知夏在白板上飞快地画图，“我们不再用实心的波导，而是用空心的光子晶体结构来传输光。光在空气里跑，损耗更低。然后，我们在空心里注入铷原子蒸气，利用激光将其激发到里德堡态。”
　　“一旦进入里德堡态，原子会变得巨大，电子云会重叠。这时候，只要有一个光子进来，就会改变原子的状态，从而阻止第二个光子的通过。这就实现了‘光子晶体管’的效果——一个光子控制另一个光子。”
　　“单光子开关！”张工的眼睛亮了，“如果真能做到，那功耗将趋近于零！而且速度是光速！”
　　“理论上是完美的。”江知夏冷静地说，“但工程上，我们需要解决三个难题：第一，如何在纳米级的空芯里注入并维持原子蒸气；第二，如何精确控制激光的激发频率；第三，如何把这套复杂的光学系统集成到指甲盖大小的芯片上。”
　　“这……”张工有些迟疑，“这需要跨学科的合作。我们需要原子物理专家，还需要精密光学加工专家。”
　　“人，我来找。”江知夏拿起手机，“清华大学的方璐、戴琼海团队，他们搞出了‘太极’光计算芯片，虽然架构不同，但在光路集成和原位训练方面，他们是世界顶尖的。还有华中科大，他们的武汉光电国家研究中心，在微纳光学加工方面有深厚的积累。”
　　一周后，武汉。
　　华中科技大学的光学实验室里，江知夏见到了宗良佳教授团队。
　　“江博士，你的想法很大胆。”宗教授看着江知夏带来的设计方案，“在空心光子晶体里做里德堡原子计算，这在国际上也是前沿中的前沿。但是，加工这种空心结构，精度要求极高，而且良率很难控制。”
　　“宗教授，”江知夏诚恳地说，“我们华为愿意提供最先进的电子束光刻机，和你们共建一条‘光子晶体专用线’。你们负责工艺开发，我们负责系统集成。”
　　“共建专用线？”宗教授有些动容，“这可是几千万的投入。”
　　“为了未来，值得。”江知夏坚定地说，“而且，我们不仅要做出来，还要做便宜。华为的专利库里，有一项关于‘凹面镜阵列+光调制器’的架构（CN112306145B），可以把光计算的耦合效率提升10倍。我们可以把这个专利无偿授权给你们。”
　　“凹面镜阵列……”宗教授眼睛一亮，“我知道这项专利！如果能结合我们的微纳加工技术，确实能解决光路损耗的问题。”
　　“还有，”江知夏补充道，“清华的‘太极’团队已经开源了他们的代码和训练方法。我们可以直接复用他们的‘广度光计算’架构，来训练我们的里德堡原子网络。这样，我们就不需要从头开发算法了。”
　　“借力打力。”宗教授笑了，“江博士，你真是个精明的商人。好，这个合作，我们接了！”
　　接下来的三个月，是武汉和东莞两地奔波的三个月。
　　江知夏带领团队，在华科大的洁净室里，开始了疯狂的实验。
　　“电子束曝光剂量1200μC/cm?……”
　　“反应离子刻蚀深度5微米……”
　　“铷原子蒸气注入压力0.1Pa……”
　　“激发激光波长780nm……”
　　每一次实验，都是一次与物理极限的博弈。
　　第一次流片，空心结构坍塌，光路堵塞。
　　第二次流片，原子蒸气泄漏，信号消失。
　　第三次流片，终于，那块布满纳米级孔洞的芯片从机器里出来了。
　　“上电测试！”江知夏的声音有些颤抖。
　　激光器启动，红色的光束射入芯片。
　　屏幕上的波形，开始跳动。
　　“光信号进去了！”张工盯着示波器，“但是……没有非线性效应。输出波形和输入波形一样，只是延迟了一点。”
　　“怎么回事？”江知夏眉头紧锁，“里德堡态没激发出来？”
　　“可能是激光功率不够。”宗教授在一旁分析，“或者是原子密度太低。”
　　“加大激光功率！”江知夏下令。
　　“不行！”张工喊道，“功率再大，芯片就要烧了。这种空心结构散热很差。”
　　“散热……”江知夏突然想起了什么，“我们之前在‘奇点’芯片上用的‘相变材料’温控技术，能不能用在这里？”
　　“相变材料？”宗教授愣了一下，“你是说，在空心结构周围包裹一层相变材料，利用它的相变潜热来吸收激光产生的热量？”
　　“对！”江知夏眼中闪过一丝光芒，“这样，我们就能加大激光功率，把更多的原子激发到里德堡态，而不用担心烧坏芯片。”
　　“这……”宗教授有些迟疑，“这会增加工艺的复杂度。”
　　“试一试！”江知夏坚定地说。
　　又是一周的通宵达旦。
　　终于，第四版芯片流片成功。
　　“上电！加大激光功率！”
　　激光器轰鸣。
　　屏幕上的波形，突然发生了剧烈的变化。
　　“看！”张工激动地喊道，“输出波形被削顶了！这是非线性效应！光子之间发生了相互作用！”
　　“真的实现了！”江知夏握紧了拳头，“单光子开关！”
　　“而且，”宗教授看着数据，“开关速度达到了100GHz！比电子晶体管快100倍！而且功耗只有飞瓦级别！”
　　“100GHz……”江知夏喃喃自语，“这比北大的光子时钟芯片还要快。”
　　“不仅如此，”张工补充道，“我们测试了逻辑运算功能。利用这个单光子开关，我们成功实现了‘与门’和‘或门’。虽然还很初级，但证明了这条路是通的！”
　　实验室里，爆发出一阵欢呼声。
　　他们做到了。
　　在原子尺度的空腔里，捕捉了光，驯服了光，让光变成了计算的单元。
　　江知夏看着那块芯片，眼眶湿润了。
　　他想起了四年前，那个在实验室里为了一个数据熬夜的本科生。
　　那时的他，从未想过自己有一天能站在物理的最前沿，挑战量子力学的极限。
　　而现在，他做到了。
　　“宗教授，张工……”江知夏转过身，看着身边的战友，“谢谢你们。是你们，让光子计算从科幻变成了现实。”
　　“江总，”宗教授拍了拍他的肩膀，“别客气。是你让我们相信，工程不是妥协，而是创造。”
　　就在这时，江知夏的手机响了。
　　是张总。
　　“知夏，听说你们搞出了大动静？”张总的声音里透着笑意，“刚才清华戴琼海院士给我打电话，说你们在武汉搞出了里德堡光子计算？这可是诺奖级的成果啊！”
　　“张总，”江知夏笑了，“我们只是站在巨人的肩膀上，做了一点点微小的工作。”
　　“一点点？”张总大笑，“你这一点点，可是把美国的硅谷都震动了。刚刚收到消息，英特尔和IBM的高管正在飞往北京的航班上。他们想见你。”
　　“见我？”江知夏愣了一下。
　　“对。”张总说，“他们想谈谈专利交叉授权的事。看来，我们的光子计算技术，已经让他们坐不住了。”
　　“专利交叉授权……”江知夏嘴角上扬，“看来，这场博弈，我们终于拿到了筹码。”
　　风起武汉，芯动未来。
　　江知夏的征途，是星辰大海。
　　而他，正一步一个脚印，坚定地走下去。
　　（本章完）