在世界上第一台通用電子計算機 ENIAC 誕生八十年後，賓州大學的研究人員正在探索一種為未來運算提供動力的新方法。科學家現在不再完全依賴電子（自 20 世紀 40 年代以來電子已成為電腦的支柱），而是轉向光。
ENIAC 由賓州大學研究人員 J. Presper Eckert 和 John Mauchly 開發，透過使用電子流解決複雜的數學問題，幫助開創了現代計算時代。這種電子視覺仍然為當今的電腦、智慧型手機和人工智慧系統提供動力。但隨著人工智慧的要求越來越高，基於電子的硬體的限制也變得越來越難以忽視。
為什麼電子會達到極限？
電子帶有電荷，這給現代電腦晶片內部帶來了許多挑戰。當它們穿過材料時，它們會產生熱量和阻力，從而消耗能量。隨著晶片變得更加複雜並為人工智慧應用處理大量數據，這些問題變得更加困難。
由賓州大學物理學家博震領導的藝術與科學學院研究人員認為，光子（構成光的粒子）可以幫助解決其中一些問題。
「由於光子是電荷中性且靜止質量為零，因此光子可以以最小的損失快速長距離傳輸訊息，從而徹底改變了通訊技術，」該雜誌上發表的論文的第一作者李河解釋道。 體檢信 曾任真實驗室博士後研究員。 “但這種中立性意味著它們幾乎不與環境互動，而且它們會執行計算機所依賴的那種糟糕的信號切換邏輯。”
換句話說，光擅長快速有效地傳輸訊息，但在計算所需的切換操作方面卻遇到了困難。
結合光與物質進行人工智慧運算
為了克服這個問題，甄的研究小組發展了一種特殊的準粒子，稱為激子極化子。當光子與原子級薄半導體材料中的電子緊密結合時，就會形成粒子。這種組合使光能夠更有效地相互作用，能夠執行計算任務所需的訊號轉換。
這項突破對於消耗大量能源的人工智慧系統來說尤其重要。
許多實驗性光子人工智慧晶片利用光來高速執行一些計算。然而，當這些系統需要執行非線性驅動步驟（例如決策操作）時，它們通常需要將光訊號轉換回電子訊號。這種轉換會減慢該過程並增加能源消耗，從而降低光子計算的優勢。
賓州大學的研究人員使用激子極化激元，展示了在使用大約四萬億分之一焦耳能量的情況下切換所有光。這個量非常小，遠低於為小型 LED 燈供電所需的能量。
打造更快、更有效率的人工智慧晶片
如果該技術成功擴展，它可能會導致光子晶片能夠直接處理來自相機的訊息，而無需在光和電之間進行重複轉換。該方法可以減少大型人工智慧系統的大量電力需求，並支援未來晶片上的基本量子運算功能。
震波是賓州大學藝術與科學學院物理與天文學系 Jin K. Lee 講座教授。
李是賓州大學藝術與科學學院真實驗室的博士後研究員。他目前是蒙大拿大學的助理教授。
研究的作者包括賓州大學藝術與科學學院的Zhi Wang 和Bumho Kim。
該研究得到了美國海軍研究辦公室（N00014-20-1-2325 和 N00014-21-1-2703）和斯隆基金會的支持。
