細菌視紫紅質在光邏輯門中的應用

鄭晨溪

摘要：細菌視紫紅質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、互補抑制調制透射特性和簡并耦合折射光柵等特性，實現的全光邏輯運算。

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

在信息時代的今天，數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在光邏輯門中的一些應用。

1 bR的光循環

細菌視紫紅質（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。由于這種蛋白質的組成和結構與動物視網膜上的視色素—視紫紅質（rhodopsin）非常相似，因此被命名為細菌視紫紅質。bR有許多優良特性。處于基態的bR分子吸收光子后發生異構化，經過一系列中間態（K,L,M,N,O和P等）將細胞內的質子泵出胞外，返回初始狀態，從而完成一次光循環。光循環中最重要的兩個吸收峰分別位于波長568nm和412nm。bR的初態吸收波長為568nm的光子而被激發到高能態J，然后到達壽命最長的中間態M, 位于M態的bR分子可通過馳豫過程返回基態，也可通過吸收波長412nm的藍光后被激發到更高激發態后，再很快馳豫到基態[1]。

2 利用 bR膜的互補抑制調制透射特性實現邏輯運算

bR膜的互補抑制調制透射特性。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、藍光的透射性質可呈現三個階段：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，張天浩等人[2]設計了二進制雙變量光子邏輯門與、或、與非、或非、0。

用bR膜調制透射特性實現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）作為偏置光來調節bR膜的透射率，適當選擇黃光或藍光的透射光強作為邏輯門運算結果，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節bR膜的透射率，可實現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 +B操作。

3 bR膜應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之間的關系，李玉棟等[3]設計了全光邏輯門實驗裝置，實現了全光布爾邏輯操作。實驗裝置如圖2所示。衍射光的偏振狀態受到光柵記錄光和讀出光的偏振狀態的共同影響。實驗測量了不同偏振狀態的記錄光和讀出光組合下產生的一級衍射光的偏振狀態。若定義垂直偏振（V）為邏輯0，水平偏振(H)為邏輯1，在bR膜中實現的全光布爾邏輯操作見表1。當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A=B=0時，或者A=B=1時，C=1；當A=0,B=1或者A=1,B=0時,C=0。實現邏輯同(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A=B=0時，或者A=B=1時，C=0；當A=0,B=1或者A=1,B=0時,C=1。實現邏輯異或(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A 運算。④同理可實現 運算[4]。

4 利用bR膜光循環特性實現邏輯操作

bR膜的光循環中有六個中間態（B,K,L,M,N,O），bR膜的雙折射性質可以將開關器件對比率提高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分子從基態分別躍遷到K,L,M,N,O各激發態，有泵浦光時輸出信號大，無泵浦光時輸出信號小，進而實現了開關功能[5]。以兩束激發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0, 1, 與門, 或門, 非門等及復合邏輯門操作.

bR的光敏特性和光循環特性使其在光子邏輯門領域有了飛速發展。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合邏輯門，進而實現了多功能全光邏輯器件。未來，全光邏輯器件的發展方向是動態器件，動態器件的發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] 張天浩, 張春平，富光華，等., 生物光敏蛋白應用于光子邏輯門的研究[J]., 紅外與毫米波學報., 1999,18:177-182.

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

[4] 陳桂英，張春平，郭宗霞，等.，細菌視紫紅質在全光邏輯器件中的研究與應用[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.