功能纳米材料中心的科学家和研究合著者Houk Jang（左）和Suji Park在量子材料出版社。 图片来源：Jessica Rotkiewicz/布鲁克海文国家实验室

马里兰大学（UMD）研究人员领导的一项研究显示，先进的信息处理技术为数百万人提供了更绿色的电信和强大的数据安全性。

一种可以使用少量光处理信息的新设备可以实现节能和安全的通信。由UMD材料科学与工程系（MSE）助理教授You 周与美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的研究人员合作领导的工作今天发表在《自然光子学》杂志上。

光开关是负责通过电话信号发送信息的设备，它依靠光作为传输介质，依靠电力作为处理工具，需要一组额外的能量来解释数据。周设计的一种新的替代方案仅使用光来为全传输提供动力，这可以提高电信和计算平台的速度和能源效率。

这项技术的早期测试已经显示出显著的能源改进。传统的光开关需要10到100个飞焦耳才能实现通信传输，而周的设备消耗的能量要少一百倍，只有十分之一到一飞焦耳。通过一种被称为“非线性响应”的材料特性，构建了一个能够使用少量光进行信息处理的原型，为他的研究小组的新机会铺平了道路。

“实现强大的非线性是出乎意料的，这开辟了一个我们以前没有探索的新方向：量子通信，”周说。

为了制造该设备，周使用了功能纳米材料中心（CFN）的量子材料出版社（QPress），该中心是布鲁克海文实验室的DOE科学办公室用户设施，为进行开放研究的科学家提供免费使用世界一流的设备。QPress是一种自动化工具，用于合成层薄如单个原子的量子材料。

UMD材料科学与工程系的UMD博士生Liuxin Gu和UMD博士后研究员Lifu Zhang（从左到右）周观察只有几个原子层厚的材料中的巨大非线性光学响应。图片来源：顾柳新

“我们已经与周的团队合作了好几年。他们是我们QPress模块的最早采用者之一，其中包括去角质器，编目器和堆垛机，“共同作者，CFN电子纳米材料小组的科学家Suji Park说。

“具体来说，我们根据他们的要求提供了高质量的去角质薄片，我们密切合作，优化了他们材料的去角质条件。这种合作关系大大增强了他们的样品制造工艺。

接下来，周的研究团队的目标是将能源效率提高到最小的电磁能量，这是实现所谓的量子通信的主要挑战，量子通信为数据安全提供了一种有前途的替代方案。

随着网络攻击的增加，建立针对黑客的复杂保护措施引起了科学界的兴趣。根据 Statista 最近的一份报告，通过传统通信渠道传输的数据可以被读取和复制而不会留下痕迹，去年 3.5 亿用户遭受了数千次违规。

另一方面，量子通信提供了一种很有前途的替代方案，因为它们使用光对信息进行编码，如果不改变其量子态就无法拦截光。周改善材料非线性的方法离实现这些技术又近了一步。

更多信息：Liuxin Gu et al， 原子薄半导体中费米极化子的巨型光学非线性， Nature Photonics （2024）.DOI： 10.1038/s41566-024-01434-x

期刊信息： Nature Photonics