近日，智能科技学院顾敏院士、张轶楠教授在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上发表了题为“Femtosecond laser direct nanolithography of perovskite hydration for temporally programmable holograms”（飞秒激光钙钛矿水合纳米光刻实现时域可编程全息图）的重要研究成果，首次报道了时域可编程的光学全息和神经网络。智能科技学院张轶楠教授、祝圣亭博士生为共同第一作者，顾敏院士和张轶楠教授为通讯作者，胡津铭助理研究员为合作作者，上海理工大学为唯一单位。

以ChatGPT为代表的人工智能浪潮正在席卷全球，对基于冯·诺依曼架构的电子计算机芯片算力和能耗提出了严峻的挑战。光子芯片利用光子代替电子进行光计算，具有速度快、能耗低、带宽高等优势，是人工智能技术可持续发展的重要驱动力。近年来，基于光学数字化全息技术的衍射神经网络由于具有高并行性、高集成度和高算力的优势，成为光计算的一个重要平台，是实现类脑存算一体化芯片的重要技术路径。然而当前的光学衍射神经网络硬件难以调谐，尤其不具备时域可调谐特性，无法直接实现存算一体化。

顾敏院士、张轶楠教授领衔的团队近期实现了基于飞秒激光光刻钙钛矿的时域可编程全息和光学神经网络。钙钛矿是近十年来光伏界最具吸引力的半导体材料，由于其本征的离子晶体特性，钙钛矿在潮湿的环境下会经历水合水解，进而引起化学结构和光学性质的变化。他们研究发现飞秒激光光刻钙钛矿不仅可以在纳米尺度上改变钙钛矿的局部光学性质，而且可以操控其水合水解速度，从而实现了多个独立全息图像的低串扰时域复用。通过将全息图级联成光学衍射神经网络，实现了具有时域可编程功能的全息神经网络。该网络神经元密度可高达每平方厘米十亿个，潜在算力高达每秒四十万亿亿次（Zetta operations per second），比现代GPU高了九个数量级，并且具有记忆类脑推理功能。该研究将时间这一物理维度引入到全息神经网络中，突破了传统三维衍射神经网络框架，是类脑存算一体化光子芯片发展的重要里程碑。

飞秒激光纳米光刻钙钛矿时域可编程全息

时域可编程全息神经网络

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-51148-5

供稿：智能科技学院