近日，東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東南大學(xué)電磁空間研究院、琶洲實(shí)驗(yàn)室智能超材料研究中心崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)李廉林教授，使用多層透射式數(shù)字編碼超表面構(gòu)建了可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的全衍射式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（可編程人工智能機(jī)，PAIM），成功實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的實(shí)時(shí)編程和光速計(jì)算特性，并展示了多種應(yīng)用案例，包括圖像識(shí)別、強(qiáng)化學(xué)習(xí)和通信多通道編解碼等，在國際上首次實(shí)現(xiàn)和展示了微波空間全衍射式可調(diào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)工作以A programmable diffractive deep neural network based on a digital-coding metasurface array為題發(fā)表在Nature Electronics上（影響因子33.686）。東南大學(xué)博士生劉徹和馬騫（現(xiàn)為至善博后）為共同第一作者，崔鐵軍院士為通訊作者。

目前，人工智能的實(shí)現(xiàn)主要依賴兩種技術(shù)，一是基于計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，一個(gè)典型的人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）的實(shí)現(xiàn)，一般使用層級(jí)連接的人工神經(jīng)元來模擬人腦神經(jīng)元之間的連接和行為。通過大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，ANN已能完成眾多的智能任務(wù)，且在人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、語音處理和醫(yī)療診斷等方面獲得了大量應(yīng)用。除了基于計(jì)算機(jī)和芯片實(shí)現(xiàn)的ANN網(wǎng)絡(luò)，全光實(shí)現(xiàn)的ANN最近也被多個(gè)團(tuán)隊(duì)所提出。

目前，雖然光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)，但大都具有功能固化、不可調(diào)節(jié)、不支持參數(shù)修改、使用成本高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其功能擴(kuò)展。在未來的實(shí)際應(yīng)用中，為了提高集成度和通用性，衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必然會(huì)朝著多功能集成和可編程方向發(fā)展，因此可編程的衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，現(xiàn)場可編程信息超表面的興起為實(shí)現(xiàn)可編程的衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了良好契機(jī)。崔鐵軍院士和李廉林教授團(tuán)隊(duì)依靠長期以來在現(xiàn)場可編程信息超表面的理論和技術(shù)積淀，率先使用多層透射式數(shù)字編碼超表面實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場可編程的微波驅(qū)動(dòng)的衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件，稱之為可編程人工智能機(jī)（PAIM）。PAIM通過透射式的超表面單元?jiǎng)討B(tài)調(diào)控電磁波的幅度和相位，以此模擬人腦中神經(jīng)元對(duì)信號(hào)的調(diào)控行為，同時(shí)通過電磁波在自由空間中的傳播來實(shí)現(xiàn)各層單元之間的連接和通信，等效于神經(jīng)元之間的連接。由此PAIM兼具智能化特性和光速的模擬信號(hào)處理能力，實(shí)現(xiàn)了眾多新穎的應(yīng)用，包括圖像識(shí)別、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的多波束聚焦和無線通信中的多用戶編解碼。未來通過將PAIM進(jìn)一步集成化和小型化，有望將其用于5G通信、醫(yī)學(xué)成像和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。（來源：東南大學(xué)）