从可折叠显示器到量子计算的发展，苹果、亚马逊、微软等企业巨头都在以多种方式强调光学的核心作用。光学的跨越式发展通常是阶段式发生的，而今天我们正处在快速发展的道路上。与过去一样，光学器件将继续与其他非光学技术，如无晶圆厂半导体制造、微电子、纳米技术、材料加工和软件编程等相结合。

光学仍然在复杂的整体中起着核心的作用。苹果、亚马逊、谷歌、IBM、微软和三星等企业巨头都在关注和投资最新的光学前沿技术。所有正在计划中的基于光学技术的多种方式，其目标都是革命性的。信息显示、处理、照明和设备操作的方式在短短几年内可能会有很大的不同（图1）。

图1.在铅笔大小的容器中安装的可滚动轻量级OLED显示器是许多显示器制造商的愿景，或许仅仅几年之后就会成为现实。图片来源：美国环宇显示技术公司。

目前的智能手机涉及OLED显示器、3D激光器、用于面部识别和深度感测的传感器和滤波器、光学亮度传感器、变焦镜头和其他相机光学器件。未来一年将看到在这些设备的光学器件上分层增强现实（AR）特性的重大进展，将真实世界与虚拟功能相结合。与虚拟现实（VR）不同，用户完全被虚拟世界所淹没，AR通过分层虚拟内容来进行工作，从而将其融入到真实世界的视野中。

增强现实的早期应用，如精灵宝可梦和Snapchat照片分享平台是其潜力的一个主要现象的证据。赢得更高级的AR / VR比赛的胜利者将抢占先机。这就是为什么像微软、苹果和谷歌这样的公司正在投资数百万美元进行研究，并在过去的一年里在AR / VR领域推出了几个有前途的产品和重要计划。

2017年6月，苹果公司为其AR平台ARKit推出了一款开源软件开发工具包（SDK），开发人员可以为苹果手机用户设计基于AR的应用程序。新的框架使用TrueDepth相机实时准确地跟踪用户的脸部，包括位置、拓扑和表情。ARKit采用视觉惯性测距法跟踪手机相对于其周围环境的运动传感器数据，而光学传感器则识别场景的亮度并检测水平平面，如桌面和地板。其结果是能够将数字对象和信息与用户的环境叠加（图2）。

图2.目前正在开发的ARCore平台将使安卓手机用户能够使用现有的光学器件、相机和传感器在现实世界的场景上叠加虚拟内容。图片来源：Google。

与苹果的ARKit相对应，Google在几个月后推出了ARCore计划，这是一个开发者在安卓智能手机上构建AR应用程序的平台，可以使用预先存在的运动跟踪传感器，环境机器学习和Google Pixel和Samsung S8手机的亮度估算技术。Apple和Google AR平台都将使用户能够选择对象或与对象交互、定义锚点、放置新对象以及在真实场景中分层虚拟信息。

更高端的是，微软的HoloLens将把AR整合到可穿戴计算机中（图3）。HoloLens是世界上第一台自给式可穿戴全息计算机，使用户能够与数字内容互动，并与周围世界的3D全息图进行交互。专业元件包括多个光学、运动和音频传感器，先进的高分辨率、高质量的光学元件和定制的全息处理单元，将使设备能够将屏幕上的内容与用户看到和听到的内容结合起来。混合现实应用程序结合了真实世界的观点与全息图应用，包括无线全息娱乐、生物医学应用、教育、设计、规划，以及从马丘比丘到火星的旅游目的地的虚拟探索。

图3.微软开发的HoloLens将使用可穿戴计算机对增强现实进行网格划分，并将相机与高分辨率镜头和高精度传感器相结合。图片来源：Microsoft。

HoloLens是一台无线设备，包括透明的镜头、波导，先进的相机、传感器、空间声音和一个专门的全息数据处理单元（HPU），使使用者在自由行走时仍能看到全息图像，因此可以被随身携带。头戴式电脑具有一些传感器，可以通过转动头部来移动光标，还可以使用简单的基于手势的移动来打开应用程序、选择项目以及将全息图拖放到视野中的软件。该设备启用语音激活的导航、选择、打开、命令和控制用户的应用程序。HoloLens可作为工具包使用，但价格昂贵约为3000美元。

有机发光二极管革命

可穿戴式AR / VR的进步要求轻便、可穿戴的耳机具有低功耗和较小的滞后时间。为此许多未来的AR和VR系统，以及下一代智能手机和平板电脑，都依赖于显示技术。有机发光二极管（OLED）技术尤其起主要作用，它旨在用重量轻、反应灵敏的塑料薄膜代替重的易碎玻璃。

在使用者佩戴不透明护目镜的VR头戴式耳机中，最大的技术障碍之一是当使用者移动头部和显示器更新以反映该移动之间的固有延迟。加利福尼亚州纽瓦克的Kateeva公司全球营销副总裁Jeff Hebb认为，这种“感觉不匹配”会导致使用者出现晕车感觉，并引起呕吐体验。

Hebb表示：“有机发光二极管的响应时间比液晶显示器小100倍，减少了感官不匹配问题，同时减轻了重量、减少了发热量，让用户体验更舒适。另外，OLED VR / AR显示器的寿命必须很长，所以封装以保护发光层不受氧气和湿气的影响是绝对必要的。”Kateeva正在开发RBG像素印刷工艺，该工艺将使用可扩展到大容量的设备高效地沉积有机发光二极管发射层和保护性封装，从而降低制造成本。

可折叠显示器

和AR / VR一样，智能手机和平板电脑的制造商也在投注OLED显示器。三星电子自2008年起将这些显示器融入其智能手机中。2017年，苹果、谷歌和LG推出了第一款带有弧形屏幕的OLED智能手机。和三星Galaxy S8一样，苹果iPhone X、Google Pixel 2和LG V30的OLED显示屏都比液晶显示屏具有更高的色彩精度、图像对比度和更宽的视角，以及更低的功耗。现在，显示器仍然用玻璃保护，但是制造商们却正在积极地研究无玻璃和折叠式塑料OLED显示器，以及所有手机内置显示器。

“holy grail”是平板电脑和智能手机的混合体，具有能够折叠成袖珍堆叠的大屏幕。据位于新泽西州尤因的Universal Display公司（UDC）业务发展副总裁Mike Hack透露：“该行业正在接近终点。背板、控制显示器的晶体管、基板、偏光片、触摸屏，所有这些可弯曲的部件都已经开发出来。现在我们必须掌握如何让进行大规模生产的技术。”

图4.粉末形式的磷光OLED（PHOLED）发射体材料被层叠在薄膜显示器上，以实现具有各种颜色、光谱和线宽特性的低功率、轻质发射层。图片来源：美国环宇显示技术公司。

可折叠、轻便、发热量低的显示器取决于新材料的发展，例如具有高效功率转换和长使用寿命的磷光发射体化合物。在有机发光二极管器件的发射层中需要不同层的这种材料（图4）。Hack表示：“UDC的材料科学家正在不断地研究这些发展。”业内人士认为，可折叠显示器将在未来几年内实现。

图5.OLED技术正在蓬勃发展成为一种高效且低成本的灵活显示技术，为军用和其他可穿戴应用提供了高能效和轻量级的解决方案。图片来源：美国环宇显示技术公司。

除了VR，智能手机和平板电脑之外，OLED还在大尺寸显示器、照明、汽车显示器、娱乐、标牌、**/航空应用和太阳能技术中出现（图5）。

量子波

量子计算（QC）是光学技术发展的另一个主要趋势。QC中的计算机位的模拟是量子位或量子位，使得量子计算机能够比当前计算机快一百万倍地解决某些类型的问题，比如建模复杂的分子相互作用以及分析大数据集或优化物流路线。

这些影响在包括制药、遗传学、石油和天然气勘探、人工智能、财务管理以及其他许多应用在内的众多应用中具有革命性意义。金融服务公司摩根士丹利（Morgan Stanley）在2017年10月的一份报告中估计，高端量子计算机的市场规模将在未来十年翻番至100亿美元。谷歌、IBM、英特尔、微软和诺基亚贝尔实验室，以及许多大学和政府，在开发各种质量控制组件和架构方面的投资翻了一番。

实际上，量子计算机各个部分的发展速度在过去几年中一直如此之快，以至于公司正在测试混合量子计算机的工作组件。这些工作QCs的架构与公司的结构有所不同，涉及成熟半导体技术与单光子源、光子量子比特、光学互连、波导和单光子等光学技术的组合探测器。加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的科学家设计了一种基于超导量子位封闭的谷歌所采用的架构。诺基亚贝尔实验室正在探索一种基于拓扑量子计算的架构，该架构利用非阿贝尔任意子的特性在两种状态之间移动电荷。诺基亚的方法涉及使用超冷超导材料的平面来形成复合费米子对。和诺基亚公司使用的方法一样，微软正在通过拓扑效应来追求量子计算，只不过是使用晶体纳米线网络来实现“编织”马拉约那费米子。

目前，QC的主要目标是扩大由于量子退相干而本质上不稳定的量子位数;我们互连的量子越多，控制它们就越困难1。量子比特的各种方法包括玻色爱因斯坦凝聚，被俘获的离子和通过频率、角动量或偏振状态编码的光子的控制。IBM正在研究约瑟夫森结中的超导传输量子比特，以创造具有两种不同振荡状态的本质上的人造原子。

在2017年3月，IBM推出了IBM Q，这是一个通过云建立开源可访问QC系统的计划。根据纽约Yorktown Heights公司IBM Q网络副总监Anthony Annunziata的说法，该公司的方法是使用成熟的半导体技术来创建一个通用的基于门的量子处理器，它可以运行算法并解决商业和科学中难以解决的问题。

2017年5月，IBM Q宣布推出一款开放式量子处理器，可提供16量子比特位的可用于beta访问的量子处理器和一个17位的商业原型（图6）。9月份，IBM Q量子处理器成功地解决了量子计算机上模拟的氢化铍分子结构问题。

图6. IBM Q的这个新型量子16量子比特位芯片的核心技术是具有约瑟夫森结的超导传输量子比特。开放源码平台上的开发人员可以使用16位系统。图片来源：IBM Q。

Annunziata表示：“量子计算机有望大大帮助发现新药物和新材料，同时节省时间、金钱和资源，解决困难的优化问题。我们正处在一个非常激动人心的阶段，该领域正在迅速发展。随着量子比特数的增加，光学技术将把量子处理器连接在一起，并将它们连接到云端。”

模拟量子系统中互连量子比特的世界记录数量目前已经达到49个量子比特的“量子优势”的数量，这正是今天的超级计算机所能达到的最好水平。许多专家认为未来几年的量子优势可能会体现。

然而，一台单一的量子计算机只是长期和更复杂的目标的一部分：一个量子网络，可以传输光子超过可观的距离。为此，丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的量子光子学组组长兼教授Peter Lodahl和国际同事正在研究基于嵌入在光子纳米结构中的量子点的光子网络。目前还无法判断到底哪一种量子体系结构能够最终成功扩展到更大的网络。

Lodahl表示：“量子技术可以应用于很多事情。我们不必之追求制造普通的量子计算机。相反，世界范围内的努力是朝着一系列应用的量子硬件的发展，包括量子模拟器、量子密钥分配、量子中继器、量子传感器以及量子网络。混合方法的发展将起到关键作用。”

来源： https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62813&PID=5&VID=149&IID=985

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