现代处理器有相当大一部分能量不是花在计算上，而是花在把数据从一处搬到另一处。随着人工智能模型越来越大，这项开销正成为数据中心的严重问题。2026年的两项成果指向同一个解决方案：在计算机内部用光而不是电来传递信息[1][2]。
为什么搬运数据要耗能
GCSE核心
在芯片内部，数据以电信号的形式沿着微小的铜导线移动。每根导线都有电阻，所以信号的一部分能量会以热的形式传给导线（P = I²R）。信号越快情况越糟，而这些热量还得靠风扇和冷却系统排走，这又要消耗更多能量。用丹麦技术大学团队的话说，用电传输数据“限制了速度，还会产生热量”[1]。
铜导线中的电子以热的形式损失能量；光波导中的光子几乎无损地传播。难点在于把激光器做得足够小、足够高效，才能在一块芯片上放成千上万个。示意图。
光早已在驱动互联网
你每天都在使用光数据传输：光纤宽带和数据中心之间的链路以光脉冲的形式传递信息，利用全内反射把光束缚在玻璃纤维中。光能以极小的损耗传输海量数据。挑战在于把光源和开关缩小到芯片尺度。
成果一：突破尺寸极限的纳米激光器
A-Level拓展
普通激光谐振腔很难做得比它所发出光的波长小很多。2026年2月，丹麦技术大学（DTU）Jesper Mørk的课题组在《科学进展》上报告了一种纳米激光器，其纳米腔把光子和电子集中在极小的区域里；Mørk说它“打破了激光器能做多小的传统极限”[1]。它在室温下以极低功率工作，原则上一块芯片上可以放下成千上万个[1]。Mørk估计，纳米激光器能让计算机能耗减半[1]。
成果二：半光半物质
光非常适合传输数据，但光子之间几乎不相互作用，因此很难用光去切换别的光——而这是一切逻辑的基础。2026年5月，宾夕法尼亚大学甄博课题组在《物理评论快报》上报告了一种利用激子极化激元绕过这一难题的方法：这是光子与原子级薄半导体中的电子强耦合时形成的混合粒子[2]。它们兼具光的速度和物质的相互作用能力，可以切换光信号，而无需反复在电信号和光信号之间转换[2]。切换能量约为4×10⁻¹⁵焦耳[2]。
快速检测
芯片内部的铜连接为什么会浪费能量？
学生常常混淆的区别
估计不等于测量。
考试式问题
芯片内一根导线的电阻为2.0 Ω，通过的电流为0.010 A。计算以热的形式传递的功率，并提出用光链路替代这类连接的一个优点。 [3分]
显示范例答案与得分点
- P = I²R = (0.010)² × 2.0 (1分)
- P = 2.0 × 10⁻⁴ W (1分)
- 光链路以热的形式损失的能量很少／能以更高速率传输数据／减少所需的冷却 (1分)
考官关注的重点: 选对公式并对电流取平方，然后给出一个清晰、具体的优点。
常见错误: 使用P = IR（不是有效的公式），或忘记对电流取平方。
数据传输、处理器和能效贯穿GCSE和A-Level计算机科学。网络方面请阅读Wi-Fi与以太网对比；想了解为什么软件中效率同样重要，请看大O记号详解。
参考资料与延伸阅读
- DTU: Microscopic laser can halve a computer's energy use (Feb 2026) — 《科学进展》、Mørk、尺寸极限、估计、5–10年
- ScienceDaily: This breakthrough uses light-matter particles to power AI (May 2026) — 宾夕法尼亚大学、《物理评论快报》、激子极化激元、4 × 10⁻¹⁵ J
- ScienceDaily: Tiny nanolaser could cut computer energy use in half (Sep 2026) — 后续报道
最后审校日期:2026年10月5日。以上数据为已公布的典型数值,规则可能会发生变化。考试用语因考试大纲而异,请以你所在考试局的规定为准。
常见问题
计算机为什么要用光代替电？
由于电阻，用铜线搬运数据会把能量浪费为热，数据速率越高越严重。在微小光波导中传播的光几乎不损失能量，能非常快地传输数据，而且不会以同样方式加热芯片。光已经通过光纤在数据中心之间传输数据；目标是把它带到芯片本身上。
丹麦技术大学的纳米激光器取得了什么成果？
丹麦技术大学由Jesper Mørk领导的研究人员在《科学进展》（2026年2月）上报告了一种纳米激光器：它把光和电子束缚在极小的区域里，突破了激光器能做多小的传统极限，并能在室温下以极低功率工作。Mørk估计，这类激光器可以让计算机能耗减半，但这是估计，不是测量结果。
什么是激子极化激元？
一种光与物质的混合体，当光子与半导体中的激子（束缚在一起的电子–空穴对）强耦合时形成。宾夕法尼亚大学的研究人员在《物理评论快报》（2026年5月）上报告，这类粒子在原子级薄的半导体中只需约4×10⁻¹⁵焦耳就能切换光信号。
什么时候会有基于光的计算机？
完全实现还不会很快。丹麦技术大学的纳米激光器目前仍需用光而不是电来驱动，团队称这是下一个重大挑战，估计还需5–10年解决剩余的技术问题。宾夕法尼亚大学的工作也仍处于研究阶段。
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关于作者
Sudershan Soni
Mostak Services 的创始人兼首席导师——拥有硕士学位的数学、科学、计算机科学与 STEM 导师,拥有超过20年的职业经验,通过在线授课为全球从 11+ 和 GCSE 到 A-Level 及更高阶段的学生提供教学。
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