細菌視紫紅質(zhì)在光邏輯門中的應(yīng)用

鄭晨溪

摘要：細菌視紫紅質(zhì)是一種具有非常良好性能的光色材料。本文介紹了利用其光循環(huán)、互補抑制調(diào)制透射特性和簡并耦合折射光柵等特性，實現(xiàn)的全光邏輯運算。

中圖分類號：O438文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00

在信息時代的今天，數(shù)字化運算是信息處理的必要手段。用bR膜進行光邏輯運算是目前研究熱點之一。本文簡要介紹細菌視紫紅質(zhì)在光邏輯門中的一些應(yīng)用。

1 bR的光循環(huán)

細菌視紫紅質(zhì)（bacteriorhodopsin,簡稱bR）是存在于嗜鹽菌屬鹽桿菌（嗜鹽菌）的細胞膜中的一種蛋白質(zhì)。由于這種蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)與動物視網(wǎng)膜上的視色素—視紫紅質(zhì)（rhodopsin）非常相似，因此被命名為細菌視紫紅質(zhì)。bR有許多優(yōu)良特性。處于基態(tài)的bR分子吸收光子后發(fā)生異構(gòu)化，經(jīng)過一系列中間態(tài)（K,L,M,N,O和P等）將細胞內(nèi)的質(zhì)子泵出胞外，返回初始狀態(tài)，從而完成一次光循環(huán)。光循環(huán)中最重要的兩個吸收峰分別位于波長568nm和412nm。bR的初態(tài)吸收波長為568nm的光子而被激發(fā)到高能態(tài)J，然后到達壽命最長的中間態(tài)M, 位于M態(tài)的bR分子可通過馳豫過程返回基態(tài)，也可通過吸收波長412nm的藍光后被激發(fā)到更高激發(fā)態(tài)后，再很快馳豫到基態(tài)[1]。

2 利用 bR膜的互補抑制調(diào)制透射特性實現(xiàn)邏輯運算

bR膜的互補抑制調(diào)制透射特性。用黃光（568nm）和藍光（412nm）同時照射bR膜，這兩束光有相互調(diào)制作用。如固定藍光光強，改變黃光光強，隨著黃光光強由0逐漸增大，黃光、藍光的透射性質(zhì)可呈現(xiàn)三個階段：第一階段，黃光被全抑制，藍光線性衰減；第二階段，二束光皆被全抑制；第三階段，藍光被全抑制，黃光線性增強。以此為基礎(chǔ)，張?zhí)旌频热薣2]設(shè)計了二進制雙變量光子邏輯門與、或、與非、或非、0。

用bR膜調(diào)制透射特性實現(xiàn)光子邏輯門的原理如圖1所示。操作中，① 以兩束藍光（Ip1和Ip2）作為信號光代表輸入光，以光強可變的黃光（Iy）作為偏置光來調(diào)節(jié)bR膜的透射率，適當(dāng)選擇黃光或藍光的透射光強作為邏輯門運算結(jié)果，可以得到0輸出、與、與非、或、或非、異或非及1邏輯。② 若輸入光是Ip1（或者Ip2）和Iy，另一束藍光作為偏置光調(diào)節(jié)bR膜的透射率，可實現(xiàn)A+ 操作。③若輸入光是Ip1（或者Ip2）和Iy，另一束藍光光強為0，可實現(xiàn) +B操作。

3 bR膜應(yīng)用于布爾全光邏輯門

bR具有全息記錄功能。將兩束具有相同偏振方向的相干光同時入射到bR膜上，全息光柵被記錄在bR膜中。用兩束光（記錄光）照射bR膜，同時再用第三束光（讀出光）以Bragg角照射bR膜，那么讀出光受到膜中全息光柵的衍射作用產(chǎn)生衍射光。利用bR膜中全息光柵記錄光、讀出光和一級衍射光三者偏振狀態(tài)之間的關(guān)系，李玉棟等[3]設(shè)計了全光邏輯門實驗裝置，實現(xiàn)了全光布爾邏輯操作。實驗裝置如圖2所示。衍射光的偏振狀態(tài)受到光柵記錄光和讀出光的偏振狀態(tài)的共同影響。實驗測量了不同偏振狀態(tài)的記錄光和讀出光組合下產(chǎn)生的一級衍射光的偏振狀態(tài)。若定義垂直偏振（V）為邏輯0，水平偏振(H)為邏輯1，在bR膜中實現(xiàn)的全光布爾邏輯操作見表1。當(dāng)膜中記錄的是偏振全息光柵，①讀出光作為輸入信號，水平偏振，即邏輯1；一級衍射光C作為輸出信號，垂直偏振，即C=0；實現(xiàn)邏輯非（NOT）操作。反之，讀出光垂直偏振，即邏輯0；衍射光C=1，亦可。②兩記錄光A,B作為輸入信號，衍射光C作為輸出，保持讀出光為水平偏振，則當(dāng)A=B=0時，或者A=B=1時，C=1；當(dāng)A=0,B=1或者A=1,B=0時,C=0。實現(xiàn)邏輯同(XNOR)操作。③兩記錄光A,B作為輸入信號，衍射光C作為輸出，保持讀出光為垂直偏振，則當(dāng)A=B=0時，或者A=B=1時，C=0；當(dāng)A=0,B=1或者A=1,B=0時,C=1。實現(xiàn)邏輯異或(XOR)操作。在利用記錄光A和B的光強作為邏輯輸入，一級衍射光強C作為邏輯輸出時，可實現(xiàn)全邏輯運算。①A,B輸入光強為邏輯門輸入，C光強為輸出，可實現(xiàn)或門邏輯運算。②讀出光光強作為邏輯門輸入，C光強為輸出，可實現(xiàn)非門邏輯運算。③A（或者B）和讀出光光強為輸入，C光強為輸出，可實現(xiàn)A 運算。④同理可實現(xiàn) 運算[4]。

4 利用bR膜光循環(huán)特性實現(xiàn)邏輯操作

bR膜的光循環(huán)中有六個中間態(tài)（B,K,L,M,N,O），bR膜的雙折射性質(zhì)可以將開關(guān)器件對比率提高103倍。用660nm、垂直偏振光作為探測光，570nm、與垂直成450偏振光作為泵浦光，二束光以450夾角入射到bR膜上，輸入信號在探測光中。鑒于泵浦光可以將bR分子從基態(tài)分別躍遷到K,L,M,N,O各激發(fā)態(tài)，有泵浦光時輸出信號大，無泵浦光時輸出信號小，進而實現(xiàn)了開關(guān)功能[5]。以兩束激發(fā)光分別作為邏輯輸入A 和B, 探測光的透射變化作為邏輯輸出光C, 可以實現(xiàn)0, 1, 與門, 或門, 非門等及復(fù)合邏輯門操作.

bR的光敏特性和光循環(huán)特性使其在光子邏輯門領(lǐng)域有了飛速發(fā)展。從利用非線性特性的全光邏輯器件到分子邏輯器件，從單一的邏輯門到復(fù)合邏輯門，進而實現(xiàn)了多功能全光邏輯器件。未來，全光邏輯器件的發(fā)展方向是動態(tài)器件，動態(tài)器件的發(fā)展將會使全光邏輯器件更智能化、功能更完善化。

參考文獻

[1] Oesterhelt D, Stocckenius W. Rhodopsin-like protein from the purple membrane of Halobacterium[J]., Nature., 1997,233:149-152.

[2] 張?zhí)旌? 張春平，富光華，等., 生物光敏蛋白應(yīng)用于光子邏輯門的研究[J]., 紅外與毫米波學(xué)報., 1999,18:177-182.

[3] 李玉棟，孫騫，張春平，等., 利用bR膜實現(xiàn)全光布爾邏輯操作[J].,中國激光.,1999.,26：1103-1108.

[4] 陳桂英，張春平，郭宗霞，等.，細菌視紫紅質(zhì)在全光邏輯器件中的研究與應(yīng)用[J].，物理實驗.，2005.,25：13-17.

[5] Chandra P S, Sukhdev R. All optical switching in bacteriorhdopsin based on M state dynamics and its application to photonic logic gates [J] . Opt. Commun., 2003, 218: 55-66.