自组织光技术或将革新计算与通信领域
美国南加州大学（USC）工程师团队近日展示了一种新型光学器件，这种器件能够让光线依照热力学原理“自行组织”传播路径，有望推动计算与通信领域的全新变革。与传统依赖开关或数字控制的光路不同，该器件允许光线在系统内自发寻找路径。这一创新为数据传输、计算及通信系统赋予了更自然和高效的光子技术方案。
南加州大学明谢电气与计算机工程系的研究团队率先基于“光学热力学”这一前沿理论，开发出首个相关光学器件，为在非线性系统（无需开关、外部控制或数字输入的系统）中引导光线开辟了全新路径。在此类装置中，光线无需人为调整，会依据热力学定律自动穿越其中。
在机械领域，流体流向由分流阀门控制；在电子网络中，路由器和交换机则管理数据流向。但对于光的控制则复杂得多，常需依靠大量复杂开关和电子电路，过程繁琐且影响性能。
USC光子学团队开发的方法则如同一个能自我组织的弹珠迷宫——过去弹珠需要通过人为设置障碍逐步导向目标，如今装置的结构可自动让弹珠抵达终点。类比之下，光线同样可自行寻路，无需人为干预，仅依赖热力学机制实现最优路径选择。
这一创新有望深远影响基础科研及相关产业。随着传统电子处理速度与效率接近物理极限，众多芯片制造商（包括NVIDIA等）已开始探索更快速、节能的光互连方式。利用光学热力学机制实现自然、自组织的光路控制，或能推动下一代光子技术发展。同时，这一框架还有望广泛应用于电信、高性能计算与安全数据传输等领域，有助开发更高效且结构更简洁的设备。
原理解析：热力学驯服“混沌” 光线自动分流
多模态非线性光学系统往往被认为混乱且难以预测，其模式间复杂作用使其极难模拟与实用设计。但正因其不受线性光学规则约束，反而蕴含丰富的物理现象。
USC团队注意到，光在此类系统中会经历类似气体分子碰撞后达成热平衡的过程，由此提出“光学热力学”理论。借助热力学中的膨胀、压缩及相变等过程类比，科学家们全面刻画了非线性光学晶格中光子的行为。
团队在《自然光子学》杂志首次发表了基于该理论的器件。系统无需主动引导信号，而是通过科学设计，使光线能自行分流。
其原理直接借鉴了热力学：正如气体在焦耳-汤姆逊膨胀过程中会均匀分配压力和温度并最终达到热平衡，USC器件中的光线亦会先经历类似“膨胀”再进入热平衡阶段，最终无须外部开关即可自发流向指定输出路径。
通过将原本难以预测的混沌现象转化为可控过程，光学热力学理论为利用复杂非线性系统创造新型光子器件提供了理论基础。论文第一作者、USC光子学实验室博士生Hediyeh M. Dinani表示：“这一框架不仅能实现光路自动分流，还可能带来全新光管理方案，为信息处理、通信及基础物理探索铺平道路。”
USC Viterbi学院电气与计算机工程系教授Demetrios Christodoulides则补充：“过去困扰光学领域的难题，如今被重新定义为一种自然物理过程，有望推动工程师革新光信号及电磁波的控制方式。”
编译自/ScitechDaily
