Sci. Adv. | 手性逻辑门
本文由论文作者团队（课题组）投稿
芬兰阿尔托大学章毅博士（第一作者）联合国际合作团队（包括阿尔托大学孙志培教授课题组、中国国家纳米科学中心戴庆教授课题组、英国剑桥大学Tawfique Hasan教授课题组和中国西北大学光子所）首次利用光的手性自由度实现手性逻辑门，证明其具有超快速度、超小尺寸、超宽带、多个逻辑门在单个器件中可同时运行、电调谐性等优点。
该手性逻辑门可适用于类似对称性材料和光学非线性过程，为纳米光子计算芯片提供了新思路，也为今后进一步研究新型量子器件，如量子逻辑门，展示了新方法。
相关研究成果以“Chirality Logic Gates”为题于2022年12月9日发表于Science Advances。
封面图：全光手性逻辑门示意图
手性定义为物体与其自身镜像无法重合的一种特殊对称性，其广泛存在于自然界和人造材料中，大至星系，小到分子甚至亚原子粒子等。由于其内在反演对称结构，手性材料具有许多独特的物理化学性质，如圆二色性、圆偏振光致发光和手性非线性效应等。
随着物联网时代的到来，需求的数据处理量呈几何级数增长，与之伴随的算力、功耗等问题亟待解决。光子具有超快速度（光速）、独立传输（抗电磁干扰）、任意叠加（量子纠缠）等特性，以光子为信息的全关计算具有高速并行、低功耗等优点，被认为是云计算、人工智能计算等领域颇具前景的替代方案。
与构建电子计算机的经典逻辑门类似，全光逻辑门也是未来光子计算发展的必经之路。然而，目前绝大多数全光逻辑门无法在单个器件中同时实现多种逻辑运算，且难与现存的电子器件互联。
近期，芬兰阿尔托大学章毅博士与其合作者以光学非线性过程中的手性选择定则为理论基础，实现了手性逻辑门。该方法可以在单一器件上同时实现多个逻辑门，全光逻辑门的电控制等优势，有利于未来全光计算芯片的发展。
论文作者基于四波混频在对称性晶体中的手性选择定则，使用左、右旋手性光，在块体材料（玻璃）和单原子层材料（硫化钼）中得到了不同手性光组合激发下的四波混频信号（图1A&B所示）。据此特点，设计实现了超快的手性异或非门XNOR（图1C&D所示）。
利用光手性灵活可调的特点，在单层硫化钼中选择性地探测四波混频信号（图2A&B所示）以及切换激发光的手性（图2D&E所示），实现了超快的手性或非门NOR（图2C所示）与手性异或门XOR（图2F所示）。
图2：手性逻辑门的多样性。A手性或非门示意图，B左旋光滤波片（LCPF）后单层硫化钼的四波混频光谱，C手性或非门NOR真值表，D手性异或门示意图，E单层硫化钼前插入半波片后的四波混频光谱，F手性异或门XOR真值表。
单原子层材料中，非线性过程的发生无相位匹配条件的限制。多个非线性过程，比如，二次谐波、和频和四波混频等可同时发生（图3A所示）。据此，实现了手性异或非门XNOR、手性缓冲门Buffer和手性或非门NOR在单个器件上的同时运行（图3B所示）。
近年来，单原子层过渡金属硫化物中布洛赫（Bloch）电子的能谷，作为电子的一个新颖自由度，可以用作信息编码和操纵。利用能谷激子振荡强度的电可调节性，图4证明了手性逻辑门的电调节性。
基于非线性过程的手性选择定则，作者提出光手性自由度构建全新的手性逻辑门。该方法同时适用于所有的光学非线性过程和相应的对称性材料中，因而具有更大的兼容性。此外，本文报道的手性逻辑门可多个同时工作在在单一器件中和具有电调谐性等优点，使其有望在光子计算芯片的集成中扮演重要角色。
Zhang et al., “Chirality Logic Gates”, Sci. Adv., 8, eabq8246 (2022).
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