近日🏫，智能科技學院顧敏院士👨🏽‍✈️、張軼楠教授在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上發表了題為“Femtosecond laser direct nanolithography of perovskite hydration for temporally programmable holograms”（飛秒激光鈣鈦礦水合納米光刻實現時域可編程全息圖）的重要研究成果，首次報道了時域可編程的光學全息和神經網絡。智能科技學院張軼楠教授、祝聖亭博士生為共同第一作者🍔，顧敏院士和張軼楠教授為通訊作者，胡津銘助理研究員為合作作者🪺，意昂2平台為唯一單位。

以ChatGPT為代表的人工智能浪潮正在席卷全球🫏，對基於馮·諾依曼架構的電子計算機芯片算力和能耗提出了嚴峻的挑戰👋。光子芯片利用光子代替電子進行光計算，具有速度快🍾🛜、能耗低🎅🏻、帶寬高等優勢，是人工智能技術可持續發展的重要驅動力⛓。近年來，基於光學數字化全息技術的衍射神經網絡由於具有高並行性🧑🏻‍🍼、高集成度和高算力的優勢，成為光計算的一個重要平臺☝️，是實現類腦存算一體化芯片的重要技術路徑。然而當前的光學衍射神經網絡硬件難以調諧，尤其不具備時域可調諧特性，無法直接實現存算一體化。

顧敏院士、張軼楠教授領銜的團隊近期實現了基於飛秒激光光刻鈣鈦礦的時域可編程全息和光學神經網絡。鈣鈦礦是近十年來光伏界最具吸引力的半導體材料，由於其本征的離子晶體特性，鈣鈦礦在潮濕的環境下會經歷水合水解，進而引起化學結構和光學性質的變化。他們研究發現飛秒激光光刻鈣鈦礦不僅可以在納米尺度上改變鈣鈦礦的局部光學性質，而且可以操控其水合水解速度，從而實現了多個獨立全息圖像的低串擾時域復用👩🏻‍✈️🥸。通過將全息圖級聯成光學衍射神經網絡，實現了具有時域可編程功能的全息神經網絡🧑🏿‍🍼。該網絡神經元密度可高達每平方厘米十億個，潛在算力高達每秒四十萬億億次（Zetta operations per second）🌈，比現代GPU高了九個數量級💃🏼，並且具有記憶類腦推理功能。該研究將時間這一物理維度引入到全息神經網絡中，突破了傳統三維衍射神經網絡框架，是類腦存算一體化光子芯片發展的重要裏程碑。

該工作得到了上海市市級重大專項、上海市集成電路領域專項項目🧑‍⚖️、上海市類腦光子芯片前沿科學研究基地、國家自然科學基金面上項目、上海市東方學者、上海市自然科學基金的支持🙋🏿‍♂️。

飛秒激光納米光刻鈣鈦礦時域可編程全息

時域可編程全息神經網絡

論文鏈接⛔💌：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51148-5

供稿：智能科技學院