近期，深圳大學(xué)張晗教授團隊在《Nature Communications》發(fā)表最新研究，基于高熵 MXene 的克爾非線性效應(yīng)，研制出電可重構(gòu)全光邏輯處理單元（LPU），實現(xiàn)單光路 7 種布爾邏輯運算與高精度光學(xué) AI 推理，并在經(jīng)典的手寫數(shù)字識別任務(wù)上取得了高達(dá)97.7%的準(zhǔn)確率。為下一代超高速、低功耗計算硬件提供全新方案。 DOI：10.1038/s41467-026-70665-z 核心單位為深圳大學(xué)，聯(lián)合中國海洋大學(xué)、澳門科技大學(xué)、香港科技大學(xué)（廣州）、深圳市核輻射安全重點實驗室等單位共同完成。 第一作者：Yanqi Ge（葛彥奇）、Wenkai Wang（王文凱），共同一作 通訊作者：Han Zhang（張晗），深圳大學(xué)教授 其他作者：Meng Wang、Shoukai Zhang、Yuanjiang Zhong、Yule Zhang、Songrui Wei、Bowen Du、Huide Wang、Meng Qiu、Guoqing Liu、Liangjie Zhang、Jianqing Li、Yutao Yue 研究內(nèi)容 本文的核心研究內(nèi)容是開發(fā)一種可電控重構(gòu)的全光學(xué)邏輯處理單元。簡單來說，研究人員制造了一個用光來進(jìn)行計算的“微芯片”，但這個芯片的核心運算單元——邏輯門（如與門AND、或門OR、非門NOT等）——不再是固定功能的電子晶體管，而是可以通過外部電壓動態(tài)切換功能的光學(xué)元件。 這個處理單元完全在光域內(nèi)工作，利用光的物理特性（如干涉、衍射、非線性效應(yīng)）直接對編碼為光信號的信息進(jìn)行布爾邏輯運算。其最突出的特點是“一單元多功能”：單個硬件配置通過電學(xué)調(diào)控，就能在與(AND)、或(OR)、非(NOT)、與非(NAND)、或非(NOR)、異或(XOR)、同或(XNOR) 這七種基本邏輯運算之間動態(tài)切換。這好比一個通用的積木塊，可以根據(jù)需要隨時變成不同形狀，從而構(gòu)建出功能各異的復(fù)雜電路。 圖 1. 基于 HE-MXene 的全光邏輯處理單元示意圖。 核心創(chuàng)新點 1、材料調(diào)控創(chuàng)新：首次通過電化學(xué)方法精準(zhǔn)調(diào)控高熵 MXene 表面端基，實現(xiàn)克爾非線性光學(xué)響應(yīng)的可編程控制。 2、器件架構(gòu)創(chuàng)新：單套光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)7 種布爾邏輯電重構(gòu)，無需更換硬件，靈活性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光邏輯門。 3、系統(tǒng)集成創(chuàng)新：構(gòu)建模塊化全光邏輯處理單元 LPU，首次實現(xiàn)端到端全光域邏輯網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與推理。 4、性能突破創(chuàng)新：邏輯門理論響應(yīng)速度達(dá)亞皮秒級，MNIST 識別準(zhǔn)確率高達(dá)97.7%，兼顧速度與精度。 具體實施方法 材料制備：采用 HF 刻蝕 TiVCrMoAlC? MAX 相，制備少層 TiVCrMoC?T?高熵 MXene，通過 TEM、SEM、XPS、Raman 完成結(jié)構(gòu)表征，如圖 2 所示。 圖 2. 少層 HE-MXene TiVCrMoC33Txx 的表征。 非線性調(diào)控：搭建透明電化學(xué)池，施加 0~+0.4V 電壓調(diào)控表面端基，利用 SSPM、Z-scan 測試優(yōu)化光學(xué)非線性，如圖 3 所示。 圖 3. HE-MXene 非線性光學(xué)響應(yīng)的電化學(xué)調(diào)控。 邏輯門實現(xiàn)：采用 532nm 信號光與 671nm 控制光雙光束入射，基于空間交叉相位調(diào)制，將光強編碼為二進(jìn)制 0/1 信號，實現(xiàn) 7 種邏輯運算，如圖 4 所示。 圖 4. HE-MXene 中電化學(xué)可調(diào)的空間交叉相位調(diào)制和邏輯門。 系統(tǒng)集成：設(shè)計 LPU 單元，整合輸入編碼、可編程邏輯運算、光學(xué)讀出模塊，實現(xiàn)陣列化與多層級聯(lián)，如圖 5 所示。 圖 5. 可編程光邏輯門網(wǎng)絡(luò)計算架構(gòu)。 AI 驗證：構(gòu)建三層全光邏輯網(wǎng)絡(luò)，在 MNIST 與 CIFAR-10 數(shù)據(jù)集測試分類精度與收斂速度，如圖 6 所示。 圖 6. 使用三層光學(xué)可微邏輯門網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 MNIST 和 CIFAR-10 分類。 研究不足與局限 電化學(xué)調(diào)控速度為毫秒級，低于材料本征 GHz 級光響應(yīng)，限制整體運算速度。 復(fù)雜自然圖像數(shù)據(jù)集（CIFAR-10）精度僅50.7%，網(wǎng)絡(luò)表征能力有限。 系統(tǒng)為實驗室自由空間光路，尚未實現(xiàn)硅光芯片集成與微型化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。 文獻(xiàn)信息 Ge, Y., Wang, W., Wang, M. et al. All-optical logic processing unit using Kerr nonlinearity of MXene. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70834-0
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
