導(dǎo)讀

近日，浙江大學(xué)陳紅勝教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合以色列理工學(xué)院Ido Kaminer教授團(tuán)隊(duì)以“A guidance to intelligent metamaterials and metamaterials intelligence”為題，在Nature Communications期刊發(fā)表綜述論文，探討了智能超材料與超材料智能的重大進(jìn)展。浙江大學(xué)錢(qián)超研究員為第一兼通訊作者，陳紅勝教授為通訊作者。

研究亮點(diǎn)

超材料及其二維形式—超表面是一類(lèi)將亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)單元按照特定宏觀排列方式組合而成的人工復(fù)合材料，通過(guò)改變?nèi)斯すδ芑慕Y(jié)構(gòu)和空間排列，使其擁有自然材料所不具備的奇異物理特性，精確操控電磁波的振幅、相位、偏振、角動(dòng)量等關(guān)鍵物理量。近年來(lái)，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能算法為電磁波智能調(diào)控提供了新的思路，成為電磁學(xué)和光學(xué)的研究熱點(diǎn)，促進(jìn)了超材料從傳統(tǒng)的被動(dòng)、可調(diào)模態(tài)向智能化邁進(jìn)。反之，利用超材料操控電磁波衍射、散射和干涉等特性，在物理層直接對(duì)電磁波進(jìn)行分析、計(jì)算和推理，“傳播即計(jì)算”。如圖1所示，我們首次統(tǒng)一超材料與人工智能的雙向作用關(guān)系，闡明兩個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展關(guān)系，當(dāng)人工智能作用于超材料時(shí)，概括為智能超材料（Intelligent metamaterials）或外驅(qū)智能；當(dāng)超材料作用于人工智能時(shí)，慨括為超材料智能（MetamaterialsIntelligence）或內(nèi)生智能。

圖1超材料與人工智能的雙向相互作用

智能超材料：人工智能不僅可以加速超材料的按需設(shè)計(jì)，促進(jìn)下一代智能自適應(yīng)超材料器件的發(fā)展，也有助于發(fā)掘新穎的物理現(xiàn)象。

超材料按需設(shè)計(jì)。快速高效地設(shè)計(jì)超材料是研究超材料理論和應(yīng)用的必要前提。研究者通常依賴(lài)全波電磁數(shù)值仿真，配合啟發(fā)式或梯度下降算法來(lái)迭代搜索目標(biāo)，該過(guò)程耗時(shí)低效，難以滿(mǎn)足高自由度超材料的快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。利用深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)超材料設(shè)計(jì)，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)具備“物理特色”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，配合數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三類(lèi)超材料智能設(shè)計(jì)：正向預(yù)測(cè)、逆向設(shè)計(jì)、頻譜自關(guān)聯(lián)（圖2和圖3）。

智能自適應(yīng)器件。如何快速自適應(yīng)于實(shí)時(shí)變化的背景環(huán)境和入射電磁波是智能超表面的顯著特征。對(duì)此，研制感知-決策-執(zhí)行一體化超表面器件，賦能超表面自適應(yīng)散射調(diào)控能力，解決智能超表面的動(dòng)態(tài)感知、現(xiàn)場(chǎng)訓(xùn)練、數(shù)據(jù)復(fù)用、系統(tǒng)搭建等難題，在不需要任何人為操縱的情況下，實(shí)現(xiàn)面向復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、開(kāi)放環(huán)境的自主隱身、感知、通信、聚焦等重要應(yīng)用（圖4）。

超材料物理挖掘。超材料拓展了傳統(tǒng)自然物理規(guī)律，例如負(fù)折射、廣義斯涅耳定律、逆切倫科夫輻射等。作為輔助工具，人工智能可以協(xié)助挖掘新穎的電磁物理，克服傳統(tǒng)解析方法難以處理的問(wèn)題，例如，提升受衍射極限束縛的超表面器件性能，量化超表面單元之間的耦合效應(yīng)，求解復(fù)雜系統(tǒng)中偏微分?jǐn)?shù)學(xué)方程（圖4）。

圖2超材料的三大智能設(shè)計(jì)及經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖3 超材料的智能設(shè)計(jì)發(fā)展歷程

圖4 智能自適應(yīng)超表面器件和物理挖掘

超材料智能：超材料與人工智能的相互作用不是單方向的，而是相互促進(jìn)，融合發(fā)展。利用超材料的豐富設(shè)計(jì)自由度，實(shí)現(xiàn)以場(chǎng)波為載體的電磁神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、電磁邏輯計(jì)算和電磁數(shù)學(xué)算符。它憑借速度快、算力高、并行能力強(qiáng)、能耗低等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注，打破傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的算力桎梏，應(yīng)用于圖像檢測(cè)和自動(dòng)駕駛等高通量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，同時(shí)在光學(xué)加密、顯示，存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有巨大潛力。

電磁神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。超材料模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理過(guò)程，在數(shù)學(xué)上構(gòu)造其同素異形體，利用振幅、波長(zhǎng)、偏振態(tài)等特征量，進(jìn)行多維度信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)處理，在張量運(yùn)算中優(yōu)勢(shì)明顯，構(gòu)造全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等（圖5）。

電磁數(shù)學(xué)算符。常見(jiàn)數(shù)學(xué)算符包括微分、積分、卷積、傅里葉變換等，在圖像處理、數(shù)據(jù)建模和特征提取中發(fā)揮著重要作用。除此之外，還可以實(shí)現(xiàn)方程求解器，設(shè)計(jì)緊湊型超材料計(jì)算核，構(gòu)成閉環(huán)電磁計(jì)算系統(tǒng)，求解大尺寸線(xiàn)性方程（圖6）。

電磁邏輯計(jì)算。邏輯計(jì)算是基本的計(jì)算單元，在納米光子處理器、加密通信、場(chǎng)景增強(qiáng)等領(lǐng)域有重要價(jià)值。利用光干涉和非線(xiàn)性效應(yīng)，借助空間光編碼器、半導(dǎo)體放大器、非線(xiàn)性光纖、光子晶體等，實(shí)現(xiàn)多功能集成可級(jí)聯(lián)電磁邏輯計(jì)算（圖6）。

圖5電磁神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

圖6電磁數(shù)學(xué)算符與電磁邏輯計(jì)算

總結(jié)與展望

智能超材料與超材料智能方興未艾，新的挑戰(zhàn)和研究方向需要進(jìn)一步探索，如何實(shí)現(xiàn)超大尺寸的分布式超表面智能設(shè)計(jì)與控制，如何構(gòu)造兼容非線(xiàn)性、可重構(gòu)、可集成、可級(jí)聯(lián)等特性的超材料智能，如何在未知復(fù)雜環(huán)境中自適應(yīng)調(diào)控超表面，這些問(wèn)題需要多學(xué)科研究者共同努力，迎接一個(gè)更加智能的超材料時(shí)代。