通过新的光学设备可以微调光的频率

在任何一年级的理科学生中，第一堂课学到的“白光”根本不是白色的光，而是由许多不同颜色的光组成的复合光，它可以分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。

现在，斯坦福大学的研究人员开发了一种光学设备，使工程师可以将光束中每个单独的光子的频率更改和微调为所需的几乎任何颜色。结果于4月23日在《自然通信》（Nature Communication）上发表，它是一种新的光子体系结构，可以改变从数字通信，人工智能到尖端量子计算等领域。

斯坦福大学电气工程学教授，论文资深作者范山辉（Shanhui Fan）说：“这种功能强大的新工具使工程师对光子进行一定程度的控制，而这在以前是不可能实现的。”

三叶效应

该结构由一根低损耗的导线组成，用于光传输光子流，这些光子流像许多汽车一样在繁忙的高速公路上通过。光子随后进入一系列环，就像高速公路上的三叶草的斜坡道。每个环都有一个调制器，它可以转换我们眼睛所看到的光子频率。可以有尽可能多的环，工程师可以精细地控制调制器拨入所需的频率转换。

在研究人员设想的应用中，包括用于人工智能的光学神经网络，这些神经网络使用光而不是电子来进行神经计算。现有的实现光神经网络的方法实际上并没有改变光子的频率，而是简单地重新路由单个频率的光子。研究人员说，通过频率操纵来执行这种神经计算可能会导致更紧凑的设备。

范德文实验室博士后学者、论文第二作者阿维克·杜特说：“我们的设备与现有方法有着显著的不同，占地面积小，但提供了巨大的新的工程灵活性。”。

可见光

光子的颜色由光子共振的频率决定，而光子共振的频率又是光子波长的一个相关因素。红色光子的频率相对较慢，波长约为650纳米。在光谱的另一端，蓝光的频率要快得多，波长约450纳米。

一个简单的转换可能涉及将光子从500纳米的频率转移到510纳米，或者，正如人类的眼睛所记录的那样，从青色变为绿色。斯坦福团队架构的强大之处在于它可以执行这些简单的转换，而且还可以执行更复杂的、控制良好的转换。

为了进一步解释，作者Fan提供了一个例子，一个输入光流的例子，500纳米范围内的光子占20%，510纳米时为80%。使用这种新装置，工程师可以在500纳米时微调到73%，如果需要，在510纳米时可以微调27%，同时保持光子总数。或者这个比例可以是37%和63%，这是因为这件事。这种设置比率的能力使该设备拥有较好的发展前景。而且，在量子世界中，单个光子可以有多种颜色。在这种情况下，新的器件实际上允许改变单个光子的不同颜色的比率。

Siddharth Buddhiraju说：“我们说这种设备允许‘任意’转换，但这并不意味着‘随机’”。他在研究期间是Fan实验室的研究生，也是论文的第一作者，目前在Facebook Reality Labs工作。他说“相反，我们的意思是我们可以实现工程师要求的任何线性变换。这里有大量的工程控制。”

“它的用途非常广泛，工程师可以非常精确地控制频率和比例，各种各样的转换是可能的，”范补充说它给工程师带来了新的能力。设备本身的特性将如何决定他们如何被使用。”