澳科大團隊在Nature Photonics聯合發表突破成果： 谷光電子芯片實現室溫量子信息片上處理
澳科大團隊在Nature Photonics聯合發表突破成果：
谷光電子芯片實現室溫量子信息片上處理
隨著傳統芯片性能逼近物理極限，科學家們一直在尋找新的信息編碼方式。近日，澳門科技大學澳門材料科學與工程研究院（MIMSE）助理教授歐清東，與澳大利亞莫納什大學、新加坡科技設計大學等國際團隊合作，成功研發出一種新型「谷驅動納米光電子迴路」，首次在室溫下實現谷信息的片上生成、定向傳輸與電讀取。相關成果發表於頂尖期刊 Nature Photonics，論文標題為“An on-chip programmable valley optoelectronic nanocircuit”。
在二維半導體材料（如單層二硫化鎢）中，電子的能量動量關係存在兩個不等價的「谷」。想像一片二維材料像一張有兩個深谷的棋盤。電子可以在這兩個「谷」之間被不同的圓偏振光（左旋或右旋光）選擇性地激發。這兩個谷就像兩條不同的信息通道，可以各自承載數據，而且切換速度極快、耗能極低。這就形成了所謂的 「谷極化」狀態——一種全新的信息編碼方式，被視為後摩爾時代的潛力股。傳統電子學：靠「0與1」的電荷；谷電子學：靠「左谷與右谷」的編碼，具有更快、更省電、更適合量子信息處理等優勢，為未來量子計算與量子信息處理開闢了新路徑。
谷光電子芯片實現室溫片上谷複用信息的並行處理
過去這類研究最大的痛點是谷信息產生後無法在芯片上定向傳輸；讀取谷信息需要笨重的光學顯微鏡，無法整合到芯片。本研究解決了這兩大難題，讓谷光子自己「走路」還能「被讀取」（圖1）。首先，團隊設計了一種谷超波導，結合非晶硅超表面與氮化硅波導的元件，讓光走對路。當圓偏振光激發二硫化鎢產生「谷依賴的二階諧波光子」後，超表面會像一個交通指揮員，將不同手性的光子分別導入波導的左向或右向通道，實現定向路由。其次，團隊在波導兩端整合了二硒化鎢光電探測器，可直接將左谷與右谷的光訊號轉換為光電流，實現片上電讀取，這為未來量子態的測量與量子層析技術鋪平了道路。
谷光電子芯片實現室溫片上谷複用信息的並行處理
為驗證技術實用性，團隊將「袋鼠」與「考拉」兩張圖像分別編碼到左谷與右谷光子中，同時送入芯片。結果顯示（圖2）：左探測器成功重建出「袋鼠」；右探測器成功重建出「考拉」。這就實現了谷複用信息的並行處理——就像兩輛車在同一條高速公路上互不干擾地行駛。
綜上，該研究首次在室溫下實現了完整的片上谷信息處理鏈（生成 → 路由 → 讀取），填補了谷光電子學從基礎研究到集成元件的關鍵空白。研究團隊表示，這一成果為緊湊、可擴展的谷信息處理芯片奠定了基礎，也將推動光基谷電子學在經典與量子信息處理中的應用發展。
論文的共同第一作者為莫納什大學博士後李馳、原澳科大博士後邢凱健（現上海大學副教授），共同通訊作者為澳科大歐清東助理教授、新加坡科技設計大學Zhaogang Dong副教授、莫納什大學Haoran Ren與Stefan Maier教授。該工作得到澳門科學技術發展基金(0065/2023/AFJ, 0116/2022/A3),國家自然科學基金(52402166),廣東省自然科學基金 (2025A1515011120)等項目資金支持。
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