導讀

近日，浙江大學陳紅勝教授團隊聯(lián)合以色列理工學院Ido Kaminer教授團隊以“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展。浙江大學錢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

超材料及其二維形式—超表面是一類將亞波長微結(jié)構(gòu)單元按照特定宏觀排列方式組合而成的人工復合材料，通過改變?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、角動量等關(guān)鍵物理量。近年來，以深度學習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，成為電磁學和光學的研究熱點，促進了超材料從傳統(tǒng)的被動、可調(diào)模態(tài)向智能化邁進。反之，利用超材料操控電磁波衍射、散射和干涉等特性，在物理層直接對電磁波進行分析、計算和推理，“傳播即計算”。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，闡明兩個領域的發(fā)展關(guān)系，當人工智能作用于超材料時，概括為智能超材料（Intelligent metamaterials）或外驅(qū)智能；當超材料作用于人工智能時，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計，促進下一代智能自適應超材料器件的發(fā)展，也有助于發(fā)掘新穎的物理現(xiàn)象。

超材料按需設計。快速高效地設計超材料是研究超材料理論和應用的必要前提。研究者通常依賴全波電磁數(shù)值仿真，配合啟發(fā)式或梯度下降算法來迭代搜索目標，該過程耗時低效，難以滿足高自由度超材料的快速準確設計。利用深度學習驅(qū)動超材料設計，通過巧妙設計具備“物理特色”的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，配合數(shù)據(jù)增強技術(shù)，實現(xiàn)三類超材料智能設計：正向預測、逆向設計、頻譜自關(guān)聯(lián)（圖2和圖3）。

智能自適應器件。如何快速自適應于實時變化的背景環(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，賦能超表面自適應散射調(diào)控能力，解決智能超表面的動態(tài)感知、現(xiàn)場訓練、數(shù)據(jù)復用、系統(tǒng)搭建等難題，在不需要任何人為操縱的情況下，實現(xiàn)面向復雜、動態(tài)、開放環(huán)境的自主隱身、感知、通信、聚焦等重要應用（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，求解復雜系統(tǒng)中偏微分數(shù)學方程（圖4）。

圖2超材料的三大智能設計及經(jīng)典網(wǎng)絡架構(gòu)

圖3 超材料的智能設計發(fā)展歷程

圖4 智能自適應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，融合發(fā)展。利用超材料的豐富設計自由度，實現(xiàn)以場波為載體的電磁神經(jīng)網(wǎng)絡、電磁邏輯計算和電磁數(shù)學算符。它憑借速度快、算力高、并行能力強、能耗低等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，打破傳統(tǒng)電子計算機的算力桎梏，應用于圖像檢測和自動駕駛等高通量數(shù)據(jù)處理領域，同時在光學加密、顯示，存儲等領域具有巨大潛力。

電磁神經(jīng)網(wǎng)絡。超材料模擬神經(jīng)網(wǎng)絡推理過程，在數(shù)學上構(gòu)造其同素異形體，利用振幅、波長、偏振態(tài)等特征量，進行多維度信號傳輸和數(shù)據(jù)處理，在張量運算中優(yōu)勢明顯，構(gòu)造全連接神經(jīng)網(wǎng)絡、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡等（圖5）。

電磁數(shù)學算符。常見數(shù)學算符包括微分、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，還可以實現(xiàn)方程求解器，設計緊湊型超材料計算核，構(gòu)成閉環(huán)電磁計算系統(tǒng)，求解大尺寸線性方程（圖6）。

電磁邏輯計算。邏輯計算是基本的計算單元，在納米光子處理器、加密通信、場景增強等領域有重要價值。利用光干涉和非線性效應，借助空間光編碼器、半導體放大器、非線性光纖、光子晶體等，實現(xiàn)多功能集成可級聯(lián)電磁邏輯計算（圖6）。

圖5電磁神經(jīng)網(wǎng)絡

圖6電磁數(shù)學算符與電磁邏輯計算

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)和研究方向需要進一步探索，如何實現(xiàn)超大尺寸的分布式超表面智能設計與控制，如何構(gòu)造兼容非線性、可重構(gòu)、可集成、可級聯(lián)等特性的超材料智能，如何在未知復雜環(huán)境中自適應調(diào)控超表面，這些問題需要多學科研究者共同努力，迎接一個更加智能的超材料時代。