点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:院士科普|崔铁军:信息超材料,到底“超”在哪?
首页> 光明科普> 图文 > 正文

院士科普|崔铁军:信息超材料,到底“超”在哪?

来源:光明网2026-08-27 15:26

  超材料起源于物理领域,核心思想是通过构建人工微结构来控制电磁波。自然材料的分子、原子层面很难控制,但通过人工原子的构造,原则上可以实现很多自然界不能实现的功能。但传统超材料的问题在于,人工微结构一旦设计完成其电磁性能也随之固定,很难进行实时调控。

院士科普|崔铁军:信息超材料,到底“超”在哪?

  从超材料到信息超材料:一场电磁波的可编程革命

  为了改变这一局面,我们在2014年提出了数字编码和可编程超材料的理念,把超材料的基本属性定义为“0”和“1”两个可切换、物理性能相反的状态,并通过半导体器件进行实时控制。当空间中的“0”和“1”单元采用不同的编码排列时,可对电磁波进行不同的功能调控。虽然只有两个基本状态,但随着人工原子数量增加,其排列方式海量增长,从而实现复杂的电磁功能。

  更重要的是,这些编码不仅是调控电磁功能的指令,“0”和“1”编码本身也是数字信息。因此,可编程超材料在实时控制电磁波的同时,也在调制数字信息。因此我们进一步把它推广为信息超材料,它把电磁波物理调控和数字信息调制融合到一起。后来,我们又把空间编码超材料进一步发展成时间编码和时空联合编码超材料,以对电磁场与波的全部特性进行更灵活的实时可编程调控和更高容量的信息进行处理。

  有了实时可编程能力,同一个超材料硬件平台,通过改变算法和编码,就可实现波束扫描、成像、目标定位等不同功能。这让我们联想到通用电子计算机:电子计算机通过二进制编码和存储程序实现可编程,而信息超材料同样使用二进制编码和FPGA存储,只不过它的功能发生在电磁空间。因此,我们也可把它理解为一种“电磁空间的计算机”。

  信息超材料已经在无线通信等领域得到应用。可重构、可编程的智能超表面能改变无线环境。与中国移动合作,我们曾在5G环境下利用它改善无线环境和提升通信速率,并在杭州亚运会和重庆市进行了规模化应用。除此之外,信息超材料把数字信息和电磁波射频融合起来,还可构建电磁信息论和新体制无线通信系统,减少传统通信系统中的数模转换等环节,使整个链路得到简化。

  类似的思路也可以应用到雷达。传统雷达通常把前端电磁波调控与后台信号处理分开,而信息超材料可把两者融合起来,在电磁空间直接产生、处理信号并调控波束,构建新体制雷达系统。同时,利用时空编码超材料不同频率分别承担无线通信和雷达感知的功能,实现通感一体化。

  AI×信息超材料:双向奔赴的智能未来

  AI与信息超材料不是简单的“加法”,而是在算法、数据、算力等多个层面的深度融合。我们很早就开始探索利用AI进行信息超材料的智能设计。信息超材料不仅需要设计人工原子本身,还要设计复杂的编码阵列,而后者具有非常庞大的解空间,传统方法优化起来需要耗费大量时间。

  最近,我们进一步构建了信息超材料生成式大模型。通过预训练的基础大模型和针对不同电磁功能的自适应适配器,可实现从人工原子到复杂超材料编码序列的自动设计。过去可能需要几个小时完成的优化迭代,利用生成式大模型可缩短至亚秒级,同时有能力产生此前没有发现的新型信息超材料。

  除了设计,另一个重要问题是数据。现有高质量数据主要来自实验测量和电磁仿真,往往需要大量的人工操作,费时费力。我们尝试利用大模型从已有论文的文字、图表和图片中提取物理模型,再通过仿真工具生成真正可以用于科学设计的数据,从而形成一条从论文到数据库的自动生成流程。目前这一方法还不是所有文献都能成功复现,成功率约为60%。

  AI可以服务于信息超材料,信息超材料的硬件智能同样可以促进AI的发展。我们利用实时可编程的数字编码超材料构建可编程AI计算硬件,让深度学习算法从软件算法转变为硬件平台。通过可编程地改变不同层的权重系数,同一个AI计算平台既能进行图像分类与识别,也可以实现目标定位、雷达成像和通信等功能,充分体现了电磁空间计算机的能力。

  同时,我们还探索了大语言模型与信息超材料的深度结合。今天的大语言模型主要工作在虚拟空间和数字空间,例如输入文字后生成文字和图片。但如果把大语言模型与信息超材料的机器智能结合,当人们提出“提高办公桌附近的信号覆盖”这类的要求时,大语言模型可以理解语义、调用相应的数字编码状态,让电磁波束真正指向目标区域。这样就可以把语义、决策和行动贯穿起来,实现对数字世界和电磁物理世界的同时操控。

  AI可以推动信息超材料的发展,信息超材料也能够为AI提供新的硬件和物理能力。我们希望通过信息超材料机器智能与人工智能的双向融合,能进一步推动科技创新和产业创新的融合发展。

 本文系东南大学毫米波国家重点实验室主任、中国科学院院士崔铁军在2026科学智能大会上的主旨分享,光明网记者肖春芳、霍宇晗(实习)整理

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

独家策划

推荐阅读
草案不仅从法律上承认自动驾驶的合法身份,解决了“它是什么”的问题,还为其设立行为规范,发放“法律身份证”。
2026-09-04 09:17
开学后,一些孩子坐进教室才发现,黑板上的字看不清了,验光后发现近视。有些家长听说OK镜可以“晚上戴、白天摘”,还有助于延缓近视进展,准备给孩子配一副。孩子能不能佩戴OK镜?需要注意什么?
2026-09-04 09:32
据《自然》近日报道,根据9月1日联合国环境规划署(UNEP)发布的一份报告,按照当前的排放趋势,本世纪全球气温将较工业化前水平上升约1.8℃,这已是预期的最好结果。
2026-09-04 09:26
人类对寻找地外生命的执着,不仅是要证明人类并非宇宙“孤儿”,更重要的是,这可能带来能源、医学等领域的颠覆性突破。
2026-09-04 09:16
大地测量是国家安全的“隐形防线”,是航空航天和深空探测的“眼睛”,是国家基础设施建设的“尺子”和“秤”。
2026-09-04 09:17
全面了解我国管辖海域基础地质与海底构造特征,服务自然资源管理和国土空间规划“一张图”建设
2026-09-03 11:41
为更好地推动我国流感疫苗的预防接种,中国疾病预防控制中心近日发布《中国流感疫苗预防接种技术指南(2026—2027)》。
2026-09-03 11:39
高温超导带材有了更便宜、更结实的“骨架”。记者2日从中国科学院理化技术研究所获悉,该所科研团队成功研制出高温超导带材新型“骨架”——铁基合金基带(DW01)。用该基带制备的超导带材关键性能指标显著优于传统哈氏合金基带产品,标志着我国在实现高温超导带材核心材料自主可控上迈出重要一步。
2026-09-03 10:38
每天,我们的大脑都要承受成千上万条信息的狂轰滥炸。如果把这些经历和信息全盘照收,大脑很快就会像塞满垃圾文件的电脑一样“死机”。那么,大脑是如何在信息的海洋中去粗取精,只把最重要的事情存进长期记忆的硬盘呢?
2026-09-03 10:38
9月,昴星团伴月、月掩金星、中秋月、海王星冲日等天象将轮番登场。其中备受大家关注的中秋月,既不是“十五圆”,也不是“十六圆”,而是较罕见的“十七圆”。
2026-09-03 10:38
记者13日从国家管网集团获悉,国内首次成品油长输管道顺序输送甲醇现场试验在陕西省咸阳市顺利完成。这标志着我国成品油管道顺序输送甲醇技术实现从理论探索到工程验证的关键跨越,为跨区域绿色甲醇安全、高效输送提供了完整技术方案与实践示范。
2026-09-03 10:38
张国捷介绍,壁虎是研究性染色体演化得天独厚的类群。为此,研究团队选取了22种壁虎开展基因组学分析,其中20个物种的性别决定机制明确,包含3种环境依赖型、6种XY基因型、11种ZW基因型,另有两个外群物种作为对照。研究还发现,上述17个由基因型性别决定的壁虎物种拥有20条性染色体,这些染色体分别起源于17条不同的祖先染色体。
2026-09-03 10:28
开学第一天,浙江省温州市广场路小学“我的暑期科学发现”发布会现场,孩子们正轮流上场展示自己的暑期探究成果。
2026-09-02 12:09
恒星形成率降到约四成,作为重要“气罐”的中性氢却仍保有七成以上。宇宙为何“有气难成星”?
2026-09-02 12:06
9月1日,以“科技改变生活 创新赢得未来”为主题的2026年全国科普月活动全面启动。
2026-09-02 12:21
今年夏天,全国用电负荷持续高位运行,屡创新高。这份“负荷迎峰值、居民却无感”的反差并非偶然,而是得益于我国电力系统的稳定供应,彰显了我国新型能源体系建设的显著成效。
2026-09-02 12:20
作为装置“心脏”的超导磁体性能,往往决定了这些装置能在冲击极限的路上走多远。通上电流的瞬间,超导线圈要承受巨大电磁力的拉扯。此时,一根看上去不起眼的“金属带子”成了决定“心脏”承受力的关键。
2026-09-02 12:12
随着全球气候变化的加剧,干旱已成为威胁森林生态系统稳定与制约林木生长的主要环境因子。
2026-09-02 10:45
中共中央、国务院日前转发了《中央宣传部、司法部关于开展法治宣传教育的第九个五年规划(2026—2030年)》,标志着全民普法正式开启“九五”的新周期。
2026-09-01 09:42
开学季来临,从近红外光醒脑仪、α脑波音频智慧仪,到加入红光模块的哺光台灯、模拟户外远眺的雾视屏……各类宣称能“醒脑”“护眼”的产品在电商平台热卖。他进一步指出,儿童颅骨厚度、密度与成人差异显著,目前尚无任何一项权威神经科学研究支持健康儿童使用此类设备。
2026-09-01 09:36
加载更多