澳科大团队在Nature Photonics联合发表突破成果： 谷光电子芯片实现室温量子信息片上处理
澳科大团队在Nature Photonics联合发表突破成果：
谷光电子芯片实现室温量子信息片上处理
随着传统芯片性能逼近物理极限，科学家们一直在寻找新的信息编码方式。近日，澳门科技大学澳门材料科学与工程研究院（MIMSE）助理教授欧清东，与澳大利亚莫纳什大学、新加坡科技设计大学等国际团队合作，成功研发出一种新型「谷驱动纳米光电子回路」，首次在室温下实现谷信息的片上生成、定向传输与电读取。相关成果发表于顶尖期刊 Nature Photonics，论文标题为“An on-chip programmable valley optoelectronic nanocircuit”。
在二维半导体材料（如单层二硫化钨）中，电子的能量动量关系存在两个不等价的「谷」。想像一片二维材料像一张有两个深谷的棋盘。电子可以在这两个「谷」之间被不同的圆偏振光（左旋或右旋光）选择性地激发。这两个谷就像两条不同的信息通道，可以各自承载数据，而且切换速度极快、耗能极低。这就形成了所谓的 「谷极化」状态——一种全新的信息编码方式，被视为后摩尔时代的潜力股。传统电子学：靠「0与1」的电荷；谷电子学：靠「左谷与右谷」的编码，具有更快、更省电、更适合量子信息处理等优势，为未来量子计算与量子信息处理开辟了新路径。
谷光电子芯片实现室温片上谷复用信息的并行处理
过去这类研究最大的痛点是谷信息产生后无法在芯片上定向传输；读取谷信息需要笨重的光学显微镜，无法整合到芯片。本研究解决了这两大难题，让谷光子自己「走路」还能「被读取」（图1）。首先，团队设计了一种谷超波导，结合非晶硅超表面与氮化硅波导的元件，让光走对路。当圆偏振光激发二硫化钨产生「谷依赖的二阶谐波光子」后，超表面会像一个交通指挥员，将不同手性的光子分别导入波导的左向或右向通道，实现定向路由。其次，团队在波导两端整合了二硒化钨光电探测器，可直接将左谷与右谷的光讯号转换为光电流，实现片上电读取，这为未来量子态的测量与量子层析技术铺平了道路。
谷光电子芯片实现室温片上谷复用信息的并行处理
为验证技术实用性，团队将「袋鼠」与「考拉」两张图像分别编码到左谷与右谷光子中，同时送入芯片。结果显示（图2）：左探测器成功重建出「袋鼠」；右探测器成功重建出「考拉」。这就实现了谷复用信息的并行处理——就像两辆车在同一条高速公路上互不干扰地行驶。
综上，该研究首次在室温下实现了完整的片上谷信息处理链（生成 → 路由 → 读取），填补了谷光电子学从基础研究到集成元件的关键空白。研究团队表示，这一成果为紧凑、可扩展的谷信息处理芯片奠定了基础，也将推动光基谷电子学在经典与量子信息处理中的应用发展。
论文的共同第一作者为莫纳什大学博士后李驰、原澳科大博士后邢凯健（现上海大学副教授），共同通讯作者为澳科大欧清东助理教授、新加坡科技设计大学Zhaogang Dong副教授、莫纳什大学Haoran Ren与Stefan Maier教授。该工作得到澳门科学技术发展基金(0065/2023/AFJ, 0116/2022/A3),国家自然科学基金(52402166),广东省自然科学基金 (2025A1515011120)等项目资金支持。
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