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出版者:Springer Verlag

作者:Pavesi, L. 编

出品人:

页数:406

译者:

出版时间:

价格:$ 270.07

装帧:HRD

isbn号码:9783540289104

丛书系列:

图书标签:

• 光互连
• 光通信
• 光子集成电路
• 高速互连
• 数据中心
• 硅光子学
• 片上光互连
• 光纤通信
• 集成光学
• 纳米光子学

跨越硅基极限：下一代信息传输的革命性构想 图书名称：无声的桥梁：量子纠缠与光子逻辑在超大规模计算中的应用 图书简介 本书深入探讨了信息传输领域的前沿技术和未来图景，聚焦于如何突破传统电子学架构的物理瓶颈，实现前所未有的计算速度和能源效率。我们不再局限于讨论已有的光电器件或现有的光通信标准，而是将目光投向了更具颠覆性的基础物理学原理如何催生下一代信息处理范式。 第一部分：超越冯·诺依曼架构的理论基石 第一章：信息的物理极限与能效危机 本章首先回顾了摩尔定律的物理限制，重点分析了电子迁移带来的功耗墙问题。我们详细剖析了焦耳热效应在集成电路密度增加时带来的不可逆影响，并引入了 Landauer 极限的现代诠释。传统互连的电阻-电容（RC）延迟成为限制系统并行化和时钟频率提升的关键瓶颈。我们提出，解决这一问题的根本途径在于彻底摒弃电子作为主要信息载体的模式，转而探索基于量子态或光子态的传输机制。 第二章：量子信息学的几何拓扑视角 本章超越了量子比特的常见描述，将量子信息视为一种具有特定拓扑结构的信息场。我们探讨了在非厄米系统和拓扑绝缘体中，信息如何在拓扑保护下实现无损耗的传播。重点介绍了基于“马约拉纳零能模”和“手性边缘态”的稳健信息编码方案，这些方案旨在提供对环境噪声免疫的潜在数据路径。此外，本章还阐述了如何利用高维希尔伯特空间中的编码，实现远超经典香农极限的信道容量。 第三章：光子逻辑单元的非线性动力学 本章聚焦于如何设计真正意义上的“光子晶体管”——即能够实现全光开关和逻辑运算的器件。我们不再讨论半导体激光器或调制器的集成，而是深入研究利用材料的强非线性效应（如超快克尔介质、等离激元共振的增强耦合）来实现高对比度的光-光相互作用。详细分析了基于腔量子电动力学（cQED）的单光子非线性门的设计原理，以及如何利用拓扑光子晶格中的局域模式实现多体纠缠态的快速构建。 第二部分：宏观系统集成与新型架构 第四章：基于纠缠分发的分布式量子计算网络 本章将视角从单个芯片扩展到多节点系统。我们详尽地描述了如何利用远距离的量子密钥分发（QKD）基础设施作为基础，构建一个能够进行分布式量子计算的“纠缠骨干网”。内容包括：基于卫星或光纤链路的纠缠源的生成、纠缠纯化协议的实际优化，以及如何通过“贝尔态测量”实现远程的量子态传递（Teleportation）。本章强调了对纠缠质量而非仅是数量的精确控制，这是实现大规模量子算法的前提。 第五章：超导电路与光子域的混合接口工程 实现通用计算，必须解决不同物理域之间的信息转换问题。本章专门研究了高效、低噪声的超导量子比特（Transmons）与光子域（如微波光子或可见光光子）之间的耦合机制。我们详细分析了基于量子点或氮化硅谐振腔的介观耦合器设计，重点讨论了如何利用腔的零点能与超导电路的约化能级进行共振耦合，以实现微秒级的可靠信息转录。本章的难点在于如何最小化界面处的退相干和能量损耗。 第六章：信息热力学与能源收敛性 本章从根本上重新审视了计算的能源问题。我们引入了“信息热力学”的视角，探讨了在不同计算模型下，信息写入、读取和擦除过程的最小理论能耗。内容侧重于如何设计能够在接近热力学极限下运行的逻辑门。我们对基于拓扑编码的逻辑操作进行了严格的热力学分析，并对比了经典CMOS、SRAM以及新型光子逻辑的“功耗-延迟”乘积在实际工艺条件下的收敛趋势。 第三部分：未来展望与工程挑战 第七章：全光内存与信息存储的持久性问题 信息传输的效率同样依赖于信息的有效存储。本章探讨了非易失性的全光内存的理论框架。我们摒弃了电荷捕获或磁性存储的思路，转而研究如何利用光场本身的稳定结构进行信息存储，例如：基于光孤子束缚态、超慢光介质中的光场陷阱，以及利用光诱导的折射率空间重构来“冻结”光信息。本章着重分析了如何确保这些存储态在宏观时间尺度上的稳定性。 第八章：拓扑保护下的片上互连路径 在单片集成层面，如何构建高密度、低串扰的片上互连网络是关键挑战。本章阐述了如何利用二维或三维光子晶体结构，设计出具有拓扑保护特性的波导网络。这些波导利用晶格的缺陷工程实现了类似“霍尔效应”的单向信息流，有效消除了背散射和模式耦合。我们模拟了在极端弯曲和高密度交叉点下，拓扑波导的传输效率，并讨论了制造这些复杂三维结构的先进光刻技术的需求。 第九章：新材料与奇异物理现象的集成应用 本章展望了对计算架构产生革命性影响的新材料。我们关注了二维材料（如过渡金属硫化物）在高频光电响应中的潜力，以及如何利用它们在亚纳米尺度上实现对光子偏振、相位和振幅的精细控制。此外，本章还探讨了利用超材料和负折射率材料构建的“信息隐形斗篷”，即能够在不干扰信息流的情况下，屏蔽特定波段的噪声或串扰的潜力。 总结：通往信息物理学的新范式 全书的结论部分将整合以上所有章节的发现，勾勒出一幅信息处理系统由电子控制转向光子和量子态主导的宏伟蓝图。这不仅是材料和器件的升级，更是对信息本身如何存在和传播的深刻认识的转变。我们强调，下一代计算的成功，将取决于跨学科团队在凝聚态物理、量子光学和信息论之间建立无缝的工程桥梁。

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