近期，深圳大学张晗教授团队在《Nature Communications》发表最新研究，基于高熵 MXene 的克尔非线性效应，研制出电可重构全光逻辑处理单元（LPU），实现单光路 7 种布尔逻辑运算与高精度光学 AI 推理，并在经典的手写数字识别任务上取得了高达97.7%的准确率。为下一代超高速、低功耗计算硬件提供全新方案。 DOI：10.1038/s41467-026-70665-z 核心单位为深圳大学，联合中国海洋大学、澳门科技大学、香港科技大学（广州）、深圳市核辐射安全重点实验室等单位共同完成。 第一作者：Yanqi Ge（葛彦奇）、Wenkai Wang（王文凯），共同一作 通讯作者：Han Zhang（张晗），深圳大学教授 其他作者：Meng Wang、Shoukai Zhang、Yuanjiang Zhong、Yule Zhang、Songrui Wei、Bowen Du、Huide Wang、Meng Qiu、Guoqing Liu、Liangjie Zhang、Jianqing Li、Yutao Yue 研究内容 本文的核心研究内容是开发一种可电控重构的全光学逻辑处理单元。简单来说，研究人员制造了一个用光来进行计算的“微芯片”，但这个芯片的核心运算单元——逻辑门（如与门AND、或门OR、非门NOT等）——不再是固定功能的电子晶体管，而是可以通过外部电压动态切换功能的光学元件。 这个处理单元完全在光域内工作，利用光的物理特性（如干涉、衍射、非线性效应）直接对编码为光信号的信息进行布尔逻辑运算。其最突出的特点是“一单元多功能”：单个硬件配置通过电学调控，就能在与(AND)、或(OR)、非(NOT)、与非(NAND)、或非(NOR)、异或(XOR)、同或(XNOR) 这七种基本逻辑运算之间动态切换。这好比一个通用的积木块，可以根据需要随时变成不同形状，从而构建出功能各异的复杂电路。 图 1. 基于 HE-MXene 的全光逻辑处理单元示意图。 核心创新点 1、材料调控创新：首次通过电化学方法精准调控高熵 MXene 表面端基，实现克尔非线性光学响应的可编程控制。 2、器件架构创新：单套光学系统实现7 种布尔逻辑电重构，无需更换硬件，灵活性远超传统光逻辑门。 3、系统集成创新：构建模块化全光逻辑处理单元 LPU，首次实现端到端全光域逻辑网络训练与推理。 4、性能突破创新：逻辑门理论响应速度达亚皮秒级，MNIST 识别准确率高达97.7%，兼顾速度与精度。 具体实施方法 材料制备：采用 HF 刻蚀 TiVCrMoAlC₃ MAX 相，制备少层 TiVCrMoC₃Tₓ高熵 MXene，通过 TEM、SEM、XPS、Raman 完成结构表征，如图 2 所示。 图 2. 少层 HE-MXene TiVCrMoC33Txx 的表征。 非线性调控：搭建透明电化学池，施加 0~+0.4V 电压调控表面端基，利用 SSPM、Z-scan 测试优化光学非线性，如图 3 所示。 图 3. HE-MXene 非线性光学响应的电化学调控。 逻辑门实现：采用 532nm 信号光与 671nm 控制光双光束入射，基于空间交叉相位调制，将光强编码为二进制 0/1 信号，实现 7 种逻辑运算，如图 4 所示。 图 4. HE-MXene 中电化学可调的空间交叉相位调制和逻辑门。 系统集成：设计 LPU 单元，整合输入编码、可编程逻辑运算、光学读出模块，实现阵列化与多层级联，如图 5 所示。 图 5. 可编程光逻辑门网络计算架构。 AI 验证：构建三层全光逻辑网络，在 MNIST 与 CIFAR-10 数据集测试分类精度与收敛速度，如图 6 所示。 图 6. 使用三层光学可微逻辑门网络进行 MNIST 和 CIFAR-10 分类。 研究不足与局限 电化学调控速度为毫秒级，低于材料本征 GHz 级光响应，限制整体运算速度。 复杂自然图像数据集（CIFAR-10）精度仅50.7%，网络表征能力有限。 系统为实验室自由空间光路，尚未实现硅光芯片集成与微型化、产业化应用。 文献信息 Ge, Y., Wang, W., Wang, M. et al. All-optical logic processing unit using Kerr nonlinearity of MXene. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70834-0
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