可编程太赫兹超表面用于光学计算问世
该技术实现了高精度幅度调制和光学逻辑运算，为下一代通信系统和动态可调光学计算机开辟了新可能。
可编程太赫兹超表面：一块芯片如何取代数据中心中的整个光学组件
要点：真正发生了什么
2026年5月6日，期刊《Light: Science & Applications》上发表了一篇论文，用枯燥的学术语言描述了一种“子矩阵可编程超表面”。这一术语背后隐藏着一项突破，它重新定义了光学与计算架构之间的边界：研究人员创造了一种芯片，能够直接在太赫兹波前上执行布尔代数（AND、OR、XNOR）——无需光电转换，无需中间的DSP芯片，无需软件栈。光输入，计算结果输出。
这不仅仅是又一个“迈向6G”的步骤。这是可编程超表面直接侵入专用集成电路垄断的领域。AlGaN/GaN HEMT晶体管直接集成到超表面的超原子中，调制二维电子气密度，并控制在170–260 GHz范围内透射辐射的幅度。结果：同一超表面在PAM-4调制器（四个幅度电平，最高6 GHz载波）和以200 MHz运行的光学逻辑门之间实时切换。
关键的架构决策是放弃逐像素寻址，转而采用子矩阵寻址。研究人员没有单独驱动数千个超原子，而是将它们分组为四个独立控制的子矩阵。这在保持空间组合码用于逻辑和多级调制的同时，降低了布线复杂度和时序约束。
时间线与背景
过去五年中，太赫兹超表面沿着两条死胡同轨迹发展。第一条是CMOS阵列上的逐像素控制，它能产生漂亮的全息图，但在扩展时受限于布线复杂度。第二条是整个孔径的全局控制，实现成本低，但仅支持二进制OOK调制。这两种方法都无法满足6G系统的实际需求，而6G系统需要同时支持感知、通信和计算。
对太赫兹频段的争夺，是对后5G网络频谱资源的争夺。欧洲TERRAMETA项目已投入数百万欧元开发用于太赫兹通信的可重构智能表面。与此同时，中国团队也在推动替代方案：2026年1月，Zhang和Zhang团队展示了一种具有五重旋转对称性的石墨烯超表面，可实现无串扰的独立幅度和相位控制。2026年5月初，Wu等人提出了一种用于可重构智能表面的几何相位方法，同时实现幅度-相位调制。
但Wang、Gong和Xia的工作根本不同：它不优化调制或相位，而是将逻辑运算直接嵌入超表面的物理层。这是从“超表面作为天线”范式到“超表面作为协处理器”范式的转变。
技术基础是SiC衬底上的AlGaN/GaN HEMT晶体管，载流子迁移率超过2200 cm²/V·s，2DEG浓度超过10¹³ cm⁻²。零偏压时，晶体管导通，表面处于低透射状态。施加负偏压时，耗尽区中断沟道，抑制集体共振，透明度急剧增加。状态之间的切换时间约为10 ns。
谁赢谁输
有两类赢家。
6G基础设施供应商。 可重构智能表面制造商获得了一个“功能杀手”：同一超表面同时充当调制器、物理层逻辑元件和波束控制接口。投资数十亿美元用于6G许可的蜂窝运营商将视其为缩短设备链的方式：一块芯片取代“天线+调制器+DSP”组合。
AlGaN/GaN异质结构制造商。 Wolfspeed、英飞凌和恩智浦多年来一直投资于用于电力电子和雷达的GaN-on-SiC技术。现在，他们的技术栈成为计算超表面的基础。每一个新的超表面设计都会增加对高质量AlGaN/GaN界面HEMT晶圆的需求。对于那些在电动汽车市场稳定后可能面临GaN产能过剩风险的晶圆厂来说，这带来了新的生机。
输家同样明显。
短距离硅光子学。 像Ayar Labs和Lightmatter这样的初创公司，承诺通过硅光子学实现芯片间光学互连，现在看到了一个替代方案：一种超表面，不仅传输信号，还在传输过程中对信号执行逻辑运算。如果计算发生在波传播阶段，专用光收发器的论据就弱化了。
太赫兹收发器的DSP制造商。 传统架构：天线→LNA→混频器→ADC→DSP→反向路径。每个阶段都增加延迟、功耗和成本。一种在“空中”执行PAM-4调制和逻辑的超表面，使部分DSP处理变得多余。
投资PB相位方法的中国团队。 Wu等人关于用于太赫兹RIS的几何相位的工作，在Wang的突破发表前几天发布，面临被掩盖的风险。子矩阵HEMT解决方案在相当的制造复杂度下提供了根本更高的功能。
媒体未提及的内容
以下是90%的出版物中缺失的主要洞察。
Wang、Gong和Xia团队有意将设计限制为四个子矩阵——2x2。这不是工程上的谨慎，而是架构上的赌注。四个子矩阵产生16个幅度状态，足以用于PAM-4和一组完整的三个布尔函数。但作者明确表示，该架构可扩展到N×N。使用4×4子矩阵，PAM-8和更复杂的逻辑函数成为可能。使用8×8，则出现一个完整的光学ALU。
为什么这比标题暗示的更重要？ 因为具有64个子矩阵的超表面是一个6位光学协处理器，以超过200 MHz的频率运行，无需时钟，没有传统逻辑的散热问题，延迟仅由波传播时间决定。对于信号分类任务、物理层安全和无线接口上的边缘AI，这重新定义了“计算元件”的概念。
第二个非显而易见点： 没有出版物讨论该团队如何解决非线性幅度饱和问题。论文诚实地指出，随着活动子矩阵数量的增加，幅度不会线性求和：由于子矩阵之间的集体耦合，增长放缓。对于PAM-4，这通过后失真或系数查找表来解决。但对于PAM-8，这些非线性将成为关键障碍。研究人员意识到这一点，指出数字预失真（DPD）和异构集成是未来方向。这意味着下一步不是扩展超表面，而是开发专用的非线性校正控制器，这将成为主要的知识产权资产。
第三个洞察： 2026年5月同时发表多篇关于太赫兹超表面的论文并非巧合。研究团队感觉到6G标准化窗口即将到来，急于确立架构优先权。进入3GPP关于太赫兹无线接入白皮书的设计将从数十亿设备中收取版税。这就是为什么Wang的HEMT方法、Zhang的石墨烯方法和Wu的PB相位方法之间的竞争如此激烈。
预测：未来30天和90天
30天（至2026年6月9日）
专利竞赛将开始。Wang的团队可能已经提交了关于执行逻辑运算的HEMT超表面子矩阵控制架构的临时专利。一个月内，专利公开将随之而来，引发来自从事石墨烯和相变超表面研究的团队的反对申请浪潮。
同时，与HEMT晶圆制造商的谈判将加强。AlGaN/GaN-on-SiC技术已经很成熟，但没有商业代工厂提供针对集成HEMT超原子的超表面优化的工艺。第一个宣布此类PDK的公司将在新兴的太赫兹计算表面市场获得暂时垄断。
在学术界，复制工作将开始。来自伯克利、MIT和IMEC的团队将尝试在自己的设备上重现200 MHz布尔逻辑。这些尝试的成功或失败将决定该方法的可信度。
90天（至2026年8月9日）
关键事件将是尝试扩展到4×4子矩阵。如果Wang的团队展示了PAM-8和一组8位逻辑运算，这将成为行业的技术触发点。预计会有一家初创公司宣布授权该架构进行商业化。
渗透到6G标准化议程将开始。ITU和3GPP在8月举行关于100 GHz以上无线接口的工作会议。Wang的工作是一个现成的案例，用于将“光学逻辑表面”作为候选技术纳入6G路线图。
对于半导体代工市场，这是一个战略选择时刻。GaN-on-SiC是一项成熟技术，但产量由电力电子和雷达的需求驱动。计算超表面作为新应用领域的出现，可能会改变投资平衡，有利于拥有可用GaN产线的晶圆厂（英飞凌、Wolfspeed），而不是那些专注于CMOS的晶圆厂（台积电、三星）。
这块芯片是一个分水岭。在此之前，超表面是天线的：被动或略微可调。在此之后，它们成为计算元件，能够在不转换到电域的情况下对信号执行逻辑运算。区别大致像一条单车道和一条多车道高速公路。行业需要数年时间消化其影响——但方向已经确定。而那些今天认为超表面是学术小玩具的人，五年后将向今天的研究生购买生产许可。
— Editorial Team
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