讓一束光在“開”和“關”之間多停留一個狀態，是光子計算走向實用化的關鍵一步。近日，北京大學電子學院彭超團隊聯合哈爾濱工程大學等單位的團隊實現了這一設想——科研人員在直徑僅20微米、比頭發絲還細的硅基光子晶體微腔中，讓一束光表現出了三個穩定狀態，切換所需的功率僅240微瓦，還沒有一隻激光筆的功耗大，並基於此做出了多值光學存儲器的原型器件。

“三穩態”是“多穩態”的一種特定形式。彭超介紹，多穩態是指在相同的系統參數和外部環境下，系統可以存在多個穩定狀態﹔借助外部激勵或擾動，則可在這些穩定狀態之間靈活切換。就像一盞不僅有“開”和“關”，還具有多個穩定亮度檔位的燈，每個檔位都能自行保持，而適當的控制信號可以使其從一個檔位切換到另一個檔位。對光來說，多穩態意味著一個存儲單元能承載更多信息，不再局限於0和1的二進制，對光子計算和光存儲意義重大。但問題是，在微納尺度芯片上，光的非線性效應極其微弱，讓光“聽話”地多停幾個狀態，對器件設計提出了極為苛刻的要求。

面對挑戰，團隊利用了一個叫作“近奇異點耦合”的物理機制。彭超舉例說明：“想象兩根音叉，它們的振動頻率本來略有差別，但把它們靠得足夠近、耦合足夠強時，兩根音叉會開始同步振動，頻率變得完全一致。我們在光子晶體微腔中設計的兩個諧振模式，就像這兩根音叉，當系統被推向一個叫‘奇異點’的特殊狀態時，兩個模式高度耦合，波長接近而線寬趨同。正是這個狀態，讓微腔既能牢牢鎖住光，又能高效地與外界交換能量，為光的多穩態鋪好了路。”

實驗中，團隊制備的微腔品質因子高達百萬，其就像一個幾乎沒有泄露的“水池”，光在其中反復振蕩才會緩慢衰減。“在240微瓦的極低輸入功率下，系統展現出了清晰的三穩態——讓輸入光功率緩慢升降，輸出光不是簡單地跟隨變化，而是畫出明顯的‘遲滯回線’，在三個不同的強度台階上停留。更關鍵的是，我們展示了多值光學存儲器原型：通過微調輸入光功率或波長，系統能在三個狀態之間快速、可靠地跳轉，就像給光裝上了三個可以穩定駐留的‘記憶檔位’。”彭超說。

彭超認為，這項研究証明，利用精巧的物理設計，哪怕在極小硅基芯片上，也能“馴服”光的非線性，讓它表現出豐富的多穩態行為。“這為將來開發能處理更復雜信息的光學神經網絡和類腦計算處理器，提供了一種全新基礎元件。”（記者晉浩天）