導讀

近日，浙江大學陳紅勝教授團隊聯合以色列理工學院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構單元按照特定宏觀排列方式組合而成的人工復合材料，通過改變人工功能基元的結構和空間排列，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的被動、可調模態向智能化邁進。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，我們首次統一超材料與人工智能的雙向作用關系，闡明兩個領域的發展關系，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展，也有助于發掘新穎的物理現象。

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值仿真，配合啟發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。利用深度學習驅動超材料設計，通過巧妙設計具備“物理特色”的神經網絡模型，配合數據增強技術，實現三類超材料智能設計：正向預測、逆向設計、頻譜自關聯（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-執行一體化超表面器件，賦能超表面自適應散射調控能力，解決智能超表面的動態感知、現場訓練、數據復用、系統搭建等難題，在不需要任何人為操縱的情況下，實現面向復雜、動態、開放環境的自主隱身、感知、通信、聚焦等重要應用（圖4）。

超材料物理挖掘。超材料拓展了傳統自然物理規律，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，人工智能可以協助挖掘新穎的電磁物理，克服傳統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，求解復雜系統中偏微分數學方程（圖4）。

圖2超材料的三大智能設計及經典網絡架構

圖3 超材料的智能設計發展歷程

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，融合發展。利用超材料的豐富設計自由度，實現以場波為載體的電磁神經網絡、電磁邏輯計算和電磁數學算符。它憑借速度快、算力高、并行能力強、能耗低等優勢受到廣泛關注，打破傳統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據處理領域，同時在光學加密、顯示，存儲等領域具有巨大潛力。

電磁神經網絡。超材料模擬神經網絡推理過程，在數學上構造其同素異形體，利用振幅、波長、偏振態等特征量，進行多維度信號傳輸和數據處理，在張量運算中優勢明顯，構造全連接神經網絡、卷積神經網絡、循環神經網絡、脈沖神經網絡等（圖5）。

電磁數學算符。常見數學算符包括微分、積分、卷積、傅里葉變換等，在圖像處理、數據建模和特征提取中發揮著重要作用。除此之外，還可以實現方程求解器，設計緊湊型超材料計算核，構成閉環電磁計算系統，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，實現多功能集成可級聯電磁邏輯計算（圖6）。

圖5電磁神經網絡

圖6電磁數學算符與電磁邏輯計算

總結與展望

智能超材料與超材料智能方興未艾，新的挑戰和研究方向需要進一步探索，如何實現超大尺寸的分布式超表面智能設計與控制，如何構造兼容非線性、可重構、可集成、可級聯等特性的超材料智能，如何在未知復雜環境中自適應調控超表面，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。