南开大学现代光学研究所在太赫兹片上逻辑门计算方面取得研究进展
在后摩尔时代，片上光子逻辑运算已成为下一代信息处理的重要发展方向，尤其是太赫兹技术在集成光子系统中具备巨大应用潜力。然而，现有太赫兹片上布尔逻辑门普遍受限于器件复用能力与动态调制性能不足，制约了太赫兹光子计算的进一步发展。近日，南开大学现代光学研究所范飞、常胜江教授领导的太赫兹功能器件团队研发出太赫兹可重构表面涡旋超构器件，通过建立三级相干合成机制以及液晶像素化调控策略，精准控制表面涡旋光场干涉状态，并实现基于时空–频率–自旋的高维复用，用于太赫兹片上全集多比特逻辑运算。
该研究成果以“Terahertz Full‐Set Multi‐Bit Logic Operations with High‐Dimensional Multiplexed Surface Plasmonic Vortices”为题发表于光电材料类顶尖期刊Advanced Materials上，文章的通讯作者为南开大学现代光学研究所范飞教授，第一作者为南开大学现代光学研究所博士研究生王一茗。
图1. (a) 器件示意图。(b) 基本布尔逻辑门以及多比特逻辑计算的应用示意图。
研究亮点
1、原理：面向提升太赫兹逻辑器件输入比特规模这一目标，研究人员提出三级相干合成新机制，在同一器件中实现表面涡旋光场在时空、频率、自旋以及轨道角动量等多种维度的复用，对4种正交涡旋模式的精准调控从物理机制层面证明了器件调控自由度得到显著提升。
图2. (a) 器件微结构以及多维复用示意图：当具有不同自旋态和频率的太赫兹波入射到超表面时，会在表面涡旋脉冲信号的不同时间窗口中分别产生4种不同的表面涡旋模式。(b) 在左旋圆偏振和右旋圆偏振太赫兹波入射条件下表面涡旋的时间演化场分布。
2、关键技术：面向建立多输入-多输出逻辑映射，研究人员提出多种表面光场状态的液晶时空重构机制。团队开发了太赫兹表面光场像素化调控的先进技术手段，利用精细设计的图案化石墨烯电极，实现对局域液晶的独立驱动与全局的时空重构。该工作中的双像素与四级次液晶调制方案，实现64 种可分辨的涡旋模式的高效抑制与灵活叠加状态，指数级提升的近场状态为太赫兹片上逻辑运算架构提供了新的思路。
图3. (a) 基于双像素液晶集成和四级电平编码的时空可重构调制机制。 (b) 在左旋圆偏振太赫兹波入射条件下，器件在16种编码(00~33)调控时，在频率f1和f2共激发32种可分辨的表面涡旋干涉光场状态。类似的，在右旋圆偏振太赫兹波入射时，也可以激发32种表面光场状态。
3、指标突破：该器件突破了传统片上逻辑算力局限，在单一器件中构建出前所未有的逻辑门种类及其串联/并联方式。最高支持7 比特逻辑输入，输入信息容量达254，可完成2128种全套布尔逻辑运算，覆盖全部基础逻辑门（与、或、非、与非、或非、同或、异或）及其多级级联运算，并展示了太赫兹超紧凑并行信息加密的具体应用，极大拓展了太赫兹逻辑计算的运算能力和规模。
除了本项工作外，近两年来，团队围绕太赫兹表面等离激元超表面在涡旋光场调控[ Opto-Electronic Advances, 8(5), 240250 (2025); Laser & Photonics Reviews, e71770 (2026) ]、光逻辑计算与智能识别[Laser & Photonics Reviews, 20(2), e01608 (2026); Advanced Functional Materials 36(64): e77087(2026) ]与生化传感[ ACS Photonics, 13(4): 1207 (2026) ]方面等开展了大量工作。
图4. (a) 以太赫兹波以右旋圆偏振和频率为f1的入射条件为例，在4种编码调控下，表面光场分布的仿真与实验结果。(b) 将编码定义为逻辑输入时，说明2比特基本布尔逻辑门的构建原理。(c) 以太赫兹波以左旋圆偏振和频率为f2的入射条件为例，(d) 演示单个器件实现3比特逻辑计算功能的一个实例及对应的真值表，即(IN1⊙IN3)&(IN2⊙IN3)。
该工作得到了国家自然科学基金青年学生基础研究项目(博士生研究生)（资助号 625B2091）、中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划和国家重点研发计划青年科学家项目（资助号2025YFF0730100）的支持。
论文信息：Yi-Ming Wang, Hui-Jun Zhao,Yun-Yun. Ji, Jin-Yu Lin, Shi-Qiang Zhao, Cheng Gong, Jie-Rong Cheng, Sheng-Jiang Chang, and Fei Fan*, "Terahertz Full-Set Multi-Bit Logic Operations with High-Dimensional Multiplexed Surface Plasmonic Vortices", Advanced Materials, 38(53), e74327 (2026).
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74327
