如果您曾经希望拥有更快的电话、计算机或互联网连接，那么您就已经遇到过达到技术极限的个人经历。但路上可能会有帮助。
在过去的几十年里，像我这样的科学家和工程师一直致力于开发更快的晶体管，这是现代电子和数字通信技术的基础电子元件。
这些努力都是基于一种称为半导体的材料，这种材料具有特殊的电性能。硅可能是此类材料最著名的例子。
但大约十年前，科学努力达到了半导体晶体管的速度极限。研究人员根本无法让电子在这些材料中移动得更快。
工程师试图解决电流通过硅所固有的速度限制的一种方法是设计更短的物理电路——本质上是让电子移动的距离更短。
提高芯片的计算能力归根结底是增加晶体管的数量。然而，即使研究人员能够使晶体管变得非常小，它们的速度也不足以满足人们和企业所需的更快的处理和数据传输速度。
我的研究小组的工作目标是在自由空间和光纤中使用超快激光脉冲，开发更快的数据移动方法。激光通过光纤传播时几乎没有损耗，并且噪声水平非常低。
在我们于 2023 年 2 月发表在《科学进展》上的最新研究中，我们朝这个方向迈出了一步，证明可以使用配备光学晶体管的激光系统，该系统依靠光子而不是电压来移动电子并传输信息传输速度比当前系统快得多，而且比之前报道的光开关更有效。
超快光学晶体管
在最基本的层面上，数字传输涉及信号的打开和关闭来表示 1 和 0。
电子晶体管使用电压来发送此信号：当电压诱导电子流过系统时，它们会发出 1 信号；当电压感应电子流过系统时，它们会发出 1 信号；当没有电子流动时，信号为 0。这需要一个发射电子的源和一个检测电子的接收器。
我们的超快光学数据传输系统基于光而不是电压。
我们的研究小组是在晶体管级别（现代处理器的构建模块）进行光通信研究的众多研究小组之一，以克服当前硅的局限性。
我们的系统控制反射光来传输信息。当光线照射在一块玻璃上时，大部分光线都会透过，尽管有一小部分可能会反射。这就是您在朝阳光行驶或透过窗户看时所感受到的眩光。
我们使用从两个源发射的两束激光穿过同一块玻璃。一束光束是恒定的，但其通过玻璃的透射率由第二束光束控制。
通过使用第二束光束将玻璃的特性从透明转变为反射，我们可以启动和停止恒定光束的传输，从而非常快速地将光信号从打开切换到关闭，然后再切换回来。
通过这种方法，我们可以比当前系统发送电子的速度更快地改变玻璃特性。因此，我们可以在更短的时间内发送更多的开和关信号（零和一）。
我们说话的速度有多快？
我们的研究迈出了第一步，数据传输速度比我们使用典型电子设备快 100 万倍。
对于电子来说，传输数据的最大速度是纳秒，十亿分之一秒，非常快。但我们构建的光开关能够将数据传输速度提高一百万倍，只需要几百阿秒。
我们还能够安全地传输这些信号，以便尝试拦截或修改消息的攻击者会失败或被检测到。
使用激光束携带信号，并用另一束激光控制的玻璃调整其信号强度，意味着信息不仅可以更快地传播，而且可以传播更远的距离。
例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜最近从遥远的太空传输了令人惊叹的图像。
这些图片通过光通信以每 35 纳秒一次“开”或“关”的速率从望远镜传输到地球上的基站。
像我们正在开发的激光系统可以将传输速率提高十亿倍，从而可以更快、更清晰地探索深空，更快地揭示宇宙的秘密。有一天，计算机本身可能会依靠光来运行。
