記者18日從上海理工大學(xué)獲悉，上海理工大學(xué)莊松林院士和顧敏院士領(lǐng)導(dǎo)下的未來光學(xué)國際實驗室首次利用機(jī)器學(xué)習(xí)反求設(shè)計(machine-learninginversedesign)實現(xiàn)了三維矢量全息(Three-dimensionalvectorialholography)的新概念。

據(jù)介紹，這項發(fā)明是光學(xué)全息技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，其提供的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的反求設(shè)計可精準(zhǔn)且迅速地產(chǎn)生一個或多個任意三維矢量光場，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、超精確粒子操控等各個領(lǐng)域。

相關(guān)研究成果于4月18日凌晨發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)進(jìn)展》上。該雜志為《科學(xué)》(Science)刊物旗下子刊，是一個涵蓋所有學(xué)術(shù)領(lǐng)域的開放性、綜合性科學(xué)刊物。

光是一種電磁波，其在介質(zhì)中傳播的同時伴隨著電磁和磁場的振蕩，被稱為光的矢量特性。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，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。

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三維矢量光場分布，但其不可控。一直以來，精確產(chǎn)生任意三維矢量光場是一個世界性難題，因其需要十分復(fù)雜的反求設(shè)計，超出了人類知識和經(jīng)驗的邊界。

顧敏院士指導(dǎo)的科研人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)反求設(shè)計率先實現(xiàn)了三維矢量全息，可精確地控制三維全息圖像中每個像素點的任意三維矢量狀態(tài)。

“通過機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能新科技，我們首次實現(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，”顧敏院士說，“這樣的操控是全方位的，包括對每個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。”

文章第一作者任浩然博士(目前在德國慕尼黑大學(xué)從事洪堡博士后研究)說：“機(jī)器學(xué)習(xí)在光學(xué)設(shè)計中扮演著越來越重要的作用。我們研究證明訓(xùn)練后的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可有效地、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。”

這項發(fā)明還為光學(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)可以作為獨立的信息載體，實現(xiàn)信息的編碼和復(fù)用。顧敏院士說：“這項發(fā)明作為光學(xué)全息技術(shù)領(lǐng)域的一項重大突破，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)，同時也為加深理解光與物質(zhì)的相互作用(例如粒子操控)提供了一個嶄新的平臺。”

該項工作得到了墨爾本皇家理工大學(xué)(RMIT)人工智能納米光子學(xué)實驗室以及計算機(jī)科學(xué)系的大力支持。