近日，空军工程大学梁建刚教授、张迟犇讲师团队联合南方科技大学丛龙庆副教授团队，提出了一种基于超快光驱动太赫兹超构器件进行3-bit并行逻辑运算的新型策略及应用演示，为超快、高集成、多通道光电子计算提供了全新路径。相关工作于2025年9月25日以“3-Bit Parallel Logic Operations for Ultrafast Computing Based on Light-Driven Terahertz Metadevice”为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。空军工程大学博士生（南方科技大学访问学生）袁鸿平为该论文第一作者，空军工程大学博士生赵希来、张晶为共同第一作者，南方科技大学丛龙庆副教授、军事科学院娄菁博士、空军工程大学梁建刚教授、张迟犇讲师为论文共同通讯作者。
随着数字化转型进程的加速，海量数据的实时处理需求与传统计算架构的性能矛盾日益凸显。传统电子计算受限于物理层面的速度与容量瓶颈，而全光子计算尽管具备亚纳秒级响应与多维并行处理能力，却在系统集成方面面临挑战。为此，融合光子与电子优势的光电计算范式应运而生，通过在物理层实现异质集成并充分利用其多维并行性，展现出在无线通信等领域的广阔前景。
逻辑器件作为计算系统中的关键组件，其性能的提升对整个信息处理平台至关重要。太赫兹波段作为连接微波与光波的独特频谱窗口，兼具宽带宽、低损耗和优异穿透性，为实现光电子计算提供了理想载体。与此同时，超构表面作为一种人工二维结构材料，能够通过亚波长单元实现对电磁波振幅、相位与偏振态的灵活调控，为构建紧凑型逻辑器件奠定了坚实基础。当前，已有大量研究致力于通过混合激励或多种可调材料在超构器件中集成多个2-bit基本逻辑运算。然而，现有方案普遍存在功能扩展依赖于多种可调材料或多物理场协同，导致系统复杂度呈指数增长；在多维数据处理中，多个2-bit逻辑单元的级联也不可避免地引入器件复杂性与信号串扰；此外，多数方案仅能在窄带范围内工作，严重限制了其大规模并行处理潜力与多功能集成的兼容性及鲁棒性。因此，开发兼具紧凑结构、超快响应、宽带并行处理能力的新型太赫兹逻辑器件，已成为当前研究的核心挑战。
针对上述挑战，本研究提出了一种基于光驱动太赫兹超构器件的三维并行逻辑运算架构，实现了在结构简化、功能集成与性能指标三方面的协同突破。首先，该器件采用单晶硅集成与单次蚀刻工艺，摒弃了传统方案中多物理场或多类可调材料的复杂集成方式，提升了制备可行性与系统集成度；其次，创新性地引入硅的瞬态弛豫动力学作为关键调控维度，与太赫兹波偏振态、泵浦光通量共同构建出三个物理机制相互独立的控制通道，实现了对八种3-bit逻辑输入状态的协同编码。在此基础上，首次在单一器件上并行执行了包括NAND、XNOR、OR、XOR、NOR与AND在内的全部3-bit基本逻辑运算，可有效缓解传统多级2比特逻辑单元级联所带来的复杂性与信号完整性问题；最后，实验验证该器件具备最快8 ps的超快响应速度与高达179%的分数带宽，结合自适应阈值策略，进一步提升了运算鲁棒性，为解决传统计算架构中计算速度、并行处理能力、集成兼容性与功能鲁棒性之间的固有矛盾提供了创新性解决方案。
图1 基于超快光驱动太赫兹超构器件进行3-bit并行逻辑运算的概念图。所有类型的3-bit基本逻辑运算都是通过以下三维控制通道实现：i ) 偏振编码通道；ii ) 泵浦光通量编码通道；iii ) 时间编码通道(瞬态时间阶段TST和稳态时间阶段SST)。
图2 具有宽带电磁调制能力的单元设计原理。a) 二端口多模耦合系统及样品的光学显微镜图。标尺：30μm；b，c) 偏振各向异性下谐振模式的动态光谱响应；d，e) 各模式的总损耗γj (j = I-IV)随硅电导率(σ= 0 , 400 , 1000 , 1500 S/m)的动态演化。
图3 a) 在X极化波激励(σ = 0 S/m)下，模式III结构和完全金属结构的静态多极子分析；b)在Y极化波激励(σ = 0 S/m)下，模式IV结构和完全金属结构的静态多极子分析；c) 不同电导率(σ = 0或16000 S/m)和不同频率下的z分量电场分布：fx-EIT = 0.7 THz；fx-LR = 1.49 THz；fy-LR = 0.73 THz；d) 动态对比分析了模式III或IV的( EDx1或EDy1)和完全金属结构的( EDx或EDy)的远场散射强度。
图4 实现8种逻辑输入的三维逻辑控制通道设计机制：a) 三维编码方案的系统分配：X/Y偏振波为'1'/'0'，高(450μJ/cm2)和低(22μJ/cm2)泵浦光通量为'1'/'0'，SST(8 ps)/TST(2 ps)时间为'1'/'0'；b，c) 固定450μJ/cm2泵浦光通量照射下的OPTP表征揭示了该器件在X/Y偏振波入射下的时频响应；d，e) 该三维控制结构在0.1-1.8 THz频段内协同调控偏振-泵浦-时间，实现了8种逻辑输入(000-111)。
图5 该超快光驱动太赫兹超构器件进行3-bit并行逻辑运算的演示。a) 6个独立的3-bit逻辑运算在不同频段(P:偏振态,F:泵浦光通量状态,T:时间状态)上的超快并行运算；b) 与已报道器件的性能比较。
本研究成功展示了一种基于光驱动太赫兹超构器件的超快、宽带、并行3-bit逻辑运算平台，通过三维物理输入系统的构建，实现了在多频段、多逻辑功能下的并行处理，兼具高速度、高集成与低复杂度的优势。该研究策略不仅在太赫兹通信、光电加密、高容量数据处理等领域具有直接应用前景，也为光子量子计算、自适应光学系统等前沿方向提供了新途径。未来，通过进一步优化单元结构、扩展比特数、提升频率范围，该平台有望在更高频段实现功能扩展，推动光电子计算向更高效、更智能的方向发展。
该工作得到国家自然科学基金（12304354, 62335011, 62175099, 22209109, 62571546），国家重点研发计划（2024YFA1410100），广东省基础与应用基础研究(2023A1515011085)、广东省量子科学战略计划项目(GDZX2406003)、陕西三秦学者创新团队、陕西省人工结构功能材料与器件重点实验室基础研究基金(AFMD-KFJJ24204)、陕西省重点研发计划项目(2024SF-YBXM-056)、深圳市科技计划项目(JCYJ20241202125300002, JCYJ20230807093617036)的资助。
论文链接：
H. Yuan, X. Zhao, J. Zhang, et al. “3-Bit Parallel Logic Operations for Ultrafast Computing Based on Light-Driven Terahertz Metadevice." Adv. Funct. Mater. (2025): e17748.
撰稿|袁鸿平（空军工程大学）
