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4月18日凌晨，我國科研團(tuán)隊(duì)首次利用機(jī)器學(xué)習(xí)反求設(shè)計(jì)（machine-learning inverse design）實(shí)現(xiàn)三維矢量全息(Three-dimensional vectorial holography)新技術(shù)的相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)進(jìn)展》上。該雜志為《科學(xué)》刊物旗下子刊，是一個(gè)涵蓋所有學(xué)術(shù)領(lǐng)域的開放性、綜合性科學(xué)刊物。
這項(xiàng)光學(xué)全息技術(shù)領(lǐng)域的突破性研究，由中國工程院外籍院士、澳大利亞科學(xué)院與工程院院士、上海理工大學(xué)人工智能納米光子學(xué)研究中心顧敏教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)完成。研究中基于機(jī)器學(xué)習(xí)的反求設(shè)計(jì)，可精準(zhǔn)且迅速地產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)任意三維矢量光場，有望應(yīng)用在超寬帶全息顯示、超安全信息加密以及超容量光存儲(chǔ)、超精確粒子操控等各個(gè)領(lǐng)域。
中國工程院外籍院士、上海理工大學(xué)教授顧敏
光是一種電磁波，其在介質(zhì)中傳播的同時(shí)伴隨著電磁和磁場的振蕩，被稱為光的矢量特性。研究人員介紹，基于光波的橫波特性，光的振蕩通常被限制在與其傳播方向垂直的二維平面上。近些年，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)光的振蕩可打破傳統(tǒng)二維平面的束縛，通過干涉產(chǎn)生縱向光振蕩，即形成第三維光矢量。
但精確產(chǎn)生任意三維矢量光場仍是一個(gè)世界性難題。在物理學(xué)上，通過求解三維麥克斯韋方程可以正向得到一個(gè)三維矢量光場分布，但其不可控。顧敏科研團(tuán)隊(duì)利用人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)反求設(shè)計(jì)，解決了這一難題，率先實(shí)現(xiàn)了三維矢量全息，并可精確地控制三維全息圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的任意三維矢量狀態(tài)。
顧敏介紹，這樣的操控是全方位的，包括對(duì)每個(gè)三維矢量光攜帶的信息進(jìn)行編碼、傳輸和解碼，因而消除了傳統(tǒng)二維偏振光的束縛?！巴ㄟ^人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)的新技術(shù)，我們首次實(shí)現(xiàn)了三維矢量光的操控，并將機(jī)器學(xué)習(xí)的算法延伸到光學(xué)全息中去?！?/p>
機(jī)器學(xué)習(xí)在光學(xué)設(shè)計(jì)中扮演著越來越重要的作用。文章第一作者任浩然博士說：“我們研究證明訓(xùn)練后的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可有效、快速地產(chǎn)生任意三維矢量光場，達(dá)到接近百分之百的準(zhǔn)確性，極大地提高了光場調(diào)控的效率?！?/p>
此外，這項(xiàng)發(fā)明為光學(xué)全息開辟了一條新道路，首次在全息中證明光的三維矢量狀態(tài)可以作為獨(dú)立的信息載體，實(shí)現(xiàn)信息的編碼和復(fù)用。顧敏表示，“這項(xiàng)發(fā)明不僅為下一代超寬帶、超大容量、超快速并行處理的光學(xué)全息系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為人們加深理解光與物質(zhì)的相互作用（例如粒子操控）提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)。”（科技日?qǐng)?bào) 記者王春）
