基于超材料的新型架構(gòu)使用光執(zhí)行計算任務(wù)，是構(gòu)建可大規(guī)模生產(chǎn)、可重新編程的有前途的計算平臺。

有別于使用0和1的數(shù)字計算，模擬計算機(jī)使用連續(xù)變量執(zhí)行計算任務(wù)。一個有前景的方向是發(fā)展用光而不是電流處理信息的光學(xué)模擬計算機(jī)。正如賓夕法尼亞大學(xué)的Nader Engheta在2024年美國物理學(xué)會三月會議上報道的那樣，被稱為超材料的復(fù)合介質(zhì)為構(gòu)建光學(xué)模擬計算機(jī)提供了一個強(qiáng)大的平臺，不僅可以大規(guī)模生產(chǎn)并與硅電子器件集成，而且具有實時重新編程以執(zhí)行不同計算任務(wù)的能力?；诔牧系哪M光學(xué)計算機(jī)有朝一日可能會比傳統(tǒng)計算機(jī)更快、以更低功耗執(zhí)行某些任務(wù)。

在Engheta和合作者于2014年提出的第一個方案中，將電磁波作為輸入函數(shù)，并通過與超材料的相互作用對其進(jìn)行操作，使輸出波對應(yīng)于輸入的所需數(shù)學(xué)變換，可以實現(xiàn)一系列數(shù)學(xué)運算，包括微分、積分和卷積。5年后，Engheta團(tuán)隊在微波波長進(jìn)行了實驗驗證，所涉及的超材料有幾個輸入和輸出端口，通過反饋回路中的波導(dǎo)連接，如圖所示。對于給定的輸入，設(shè)備的輸出是Fredholm積分方程的解，該方程廣泛用于流體力學(xué)、天線設(shè)計和量子力學(xué)微擾理論等領(lǐng)域。為了確定可完成所需數(shù)學(xué)計算的超材料結(jié)構(gòu)，研究人員使用了“逆向設(shè)計”，這是一種解決優(yōu)化問題的迭代方法。由此得到的超材料具有不同尋常的“瑞士奶酪”結(jié)構(gòu)：由氣孔、聚苯乙烯和微波吸收材料等具有不同介電性質(zhì)的材料在空間構(gòu)成非均勻的島狀分布。

方程求解方案示意圖。執(zhí)行模擬計算的核心部分由幾個波導(dǎo)連接的超材料“瑞士奶酪”塊組成

由于微波的波長特征將導(dǎo)致龐大而不切實際的器件尺寸，將類似的概念擴(kuò)展到光學(xué)頻率是一種自然的選擇。這時，可使用亞波長超材料薄片，即超表面，來操縱通過薄片傳輸?shù)墓狻ngheta和他的同事通過逆向設(shè)計并制造了一個微米大小的芯片，利用一組波導(dǎo)將光送入和傳出一個包含瑞士奶酪狀超材料的平面腔(這種結(jié)構(gòu)的器件可以直接從商業(yè)公司訂購)。該光學(xué)芯片進(jìn)行的是更簡單的數(shù)學(xué)運算，將矢量乘以矩陣，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能工具中的常用操作。為了完成求解方程等更復(fù)雜的任務(wù)，需要加入將輸出連接到輸入的反饋波導(dǎo)，就像在原先微波系統(tǒng)中所做的那樣，這是該團(tuán)隊計劃將在下一代芯片中解決的工程挑戰(zhàn)。

另一方面，Engheta等正在利用低頻下工作的原理驗證設(shè)備來提高模擬計算機(jī)的數(shù)學(xué)能力。其最新結(jié)果增加了一個重要的新功能：可重新配置性，即方程求解器可以重新編程以執(zhí)行不同的數(shù)學(xué)運算。該方案由5×5模塊的射頻(45 MHz)元件陣列組成，如放大器和移相器，可以通過控制每個元件的參數(shù)來重新配置該設(shè)備。研究人員演示了讓他們的機(jī)器如何解決兩個不同的問題：找到一組多項式的根和進(jìn)行超材料結(jié)構(gòu)的逆設(shè)計。這兩個問題都是非靜態(tài)的，也就是說，它們需要執(zhí)行一系列步驟，每個步驟都要進(jìn)行不同的數(shù)學(xué)運算。Engheta設(shè)想，這種可重新配置的功能最終可以轉(zhuǎn)移到硅光子芯片上。一種可能方法是在器件的波導(dǎo)頂部沉積一層具有二維結(jié)構(gòu)的“相變”材料。當(dāng)加熱時，這種材料會改變其折射率，影響光在波導(dǎo)中的傳播，從而影響所編碼的數(shù)學(xué)操作。

可編程超材料硅光子學(xué)芯片將為模擬光學(xué)計算帶來福音，它以光速處理信息，所需能量僅為傳統(tǒng)數(shù)字處理器解決相同任務(wù)所需能量的一小部分。Engheta說，“在這里，光穿過波導(dǎo)迷宮，當(dāng)它出來時，你一次就能得到答案。”此外，這種設(shè)備將具有隱私優(yōu)勢，因為它不需要將信息存儲到潛在可破解的內(nèi)存內(nèi)這一中間步驟。