顛覆光計算范式？牛津90后教授用光的拓撲解鎖AI算力新引擎

“別人用算法造 AI，我們想用光解鎖下一代 AI 算力?！庇＝虼髮W副教授何超對 DeepTech 表示。作為一名 90 后青年 PI，他帶領一支成員平均年齡不到 27 歲的團隊，有望重新定義光計算的底層邏輯。

在近期發表于 Nature Photonics 的一項研究中，該團隊開創了一種全新的高維光操控框架：信息的基本載體不再是二進制的 0 和 1，而是理論上可取任意整數的拓撲荷。具體而言，他們利用光的一種特殊拓撲結構——光學斯格明子（Optical skyrmion），使光“直接像數字信號那樣”實現了抗擾動、高信息密度的邏輯運算。

（來源：牛津大學工程系）

現階段，大多數光芯片仍處于模擬范式，易受噪聲干擾且信息維度受限。研究人員創新性地將斯格明子的拓撲特性與數字計算直接關聯，利用其將信息離散化為拓撲整數的特性，在具備強抗噪聲能力的同時顯著提升了可操作信息密度。此外，他們還驗證了斯格明子數字化光計算的可行性，并在理論與實驗上展示了其在極端噪聲條件下仍保持信息魯棒性與高維并行處理能力。

該技術不僅可應用于光計算，也有望拓展至光通信、光互連乃至生物成像等領域，具有為下一代光操作帶來范式顛覆的潛力，進而成為 AI 算力的新引擎。審稿人也對該研究給予了極高評價：“基于這項技術的芯片，將成為光計算、光互連與光通信領域的顛覆性技術，為激增的算力需求開辟出一條高維光操控的新通路?！?/p>

·光計算/通信/互連：該研究成果涉及的光操控具有普適性，既可應用于自由空間，也可集成于芯片系統。其通過提出一套系統化的解決方案，具有顛覆現有二進制計算范式的潛力。該技術基于光的拓撲特性，具備極強的抗噪聲能力——這是當前光計算、光通信與光互連領域亟需的關鍵能力。

此外，單位體積內的信息操作密度在理論上可極高，極大拓寬了高維光操控的邊界，從而使并行的高通量光計算成為可能。由于光學斯格明子本質上依托于光的偏振信息，因此該體系天然具備兼容與復用其他光參量的能力：相當于這項技術能夠同時整合當下最尖端的相位、波長與光強調控手段（包括時間域與空間域）。

·周邊應用，如生物醫學成像：該技術也可延伸至其他領域。例如，將其引入生物醫學領域的病理分析中，可將拓撲信息用于數字分階，有望作為無標記探針用于癌癥早篩、分級與分型等定量表征，從而助力精準醫療診斷。此外，從廣義上講，這套拓撲方法論在磁場、晶體場以及水波場等物理體系中同樣具有應用潛力。

近日，相關論文以《光學斯格明子實現抗干擾整數運算》（Perturbation-resilient integer arithmetic using optical skyrmions）為題發表在 Nature Photonics [1]。牛津大學本科生 An Aloysius Wang 是第一作者，何超教授擔任尾作（項目負責人）。

圖丨相關論文（來源：Nature Photonics）

二進制的盡頭，可能是光的“拓撲”

光的傳輸主要涉及兩類媒介：一類是自由空間，如空氣；另一類是受限介質，如芯片上的波導結構。這兩類媒介既可用于信號傳輸，自然也可用于計算與互連等任務。

與光傳輸密切相關的參量——光強、波長、相位、偏振、時間和空間——已被當前光計算領域的研究者通過多種技術加以復用（注：模式復用主要結合光強與空間，角動量/OAM 復用則結合相位與空間）。然而，其中偏振由于正交性較弱，始終難以實現高維操作，因此尚未在光計算領域真正展現其潛力。而光學斯格明子的出現，以全新的結構為基于偏振操控的計算開辟了新的可能。

（來源：Nature Photonics）

該研究源于何超教授與 An Aloysius Wang 的一次討論：能否利用復雜偏振光的拓撲性質，開辟一個全新的光計算方向？盡管這一想法充滿挑戰，但考慮到“光斯托克斯偏振斯格明子”的概念在約五年前被提出并逐漸受到關注，何超教授最終決定——不妨一試。

光學斯托克斯斯格明子是一種偏振在空間中按特定規律分布的光場模式，具有明確的拓撲性質。我們可以用球和甜甜圈的例子來理解拓撲：球無論怎樣拉伸（只要不撕裂），始終沒有洞，其拓撲數為 0；而甜甜圈無論如何變形（只要不斷開），始終保留一個洞，其拓撲數為 1。

所謂“拓撲保護”，就是在變化中尋找不變——在連續變形中保持不變的離散屬性。就像球和甜甜圈的洞數（0 或 1），無論如何扭曲、拉伸，這個數值始終恒定不變?！斑@意味著，這種特殊的光場本身具有抗噪聲特性，并且斯格明子在可編輯任意整數信息方面具有高信息密度的優勢?！焙纬嬖V DeepTech。

圖丨加法器模塊與實驗結果（來源：Nature Photonics）

研究團隊基于斯格明子的拓撲數，設計了一類特殊的結構化物質，實現了重要的基礎邏輯單元——加法器（注：本文中“加法器”泛指加、減、乘、除等運算單元），以及給出了更復雜的邏輯運算方案，為后續基于斯格明子的光芯片設計鋪平了道路。

特別值得關注的是，由于光與物質之間的對偶性，光學斯格明子加法器對工業制造要求極低，只需把特定邊界處引入物質端即可保證計算的穩定性。并且，即使在材料屬性存在顯著波動的情況下，該體系仍能可靠地執行預定的運算任務。

何超解釋道：“它就像物質的指紋——無論你怎樣擾動，執行精準邏輯運算所需的信息都不會丟失。”

圖丨廣義斯格明子加法器（來源：Nature Photonics）

為進一步強化系統在拓撲保護與信息密度方面的優勢，研究人員創新性地提出了“廣義斯格明子”的概念——基于一種全新的數學構建。與傳統斯格明子僅攜帶一個整數拓撲數不同，一個廣義斯格明子可同時攜帶多個獨立的拓撲數，相當于在同一個光場中實現了信息魯棒性與信息密度的數量級提升。

“這應該是我們迄今最具分量的一個科研突破。”何超補充道，“從歷史的角度來看，每一個新的拓撲數的提出，往往都會對多學科的發展產生深遠影響。我們期待廣義斯格明子數也能展現出同樣的潛力與作用。”

復活“氣宗”：用光直接進行數字計算

計算機的一切，本質上都建立在包括 0 和 1 在內的二進制之上。然而，隨著 AI 的快速發展和摩爾定律的逐漸失效，算力正面臨瓶頸。于是，科學家們開始將目光轉向光計算——這種計算方式具有速度快、能耗低、空間算力密度高等優勢，為在更小體積內實現更強算力帶來了新的希望。

例如，今年 4 月，曦智科技團隊在 Nature 報道了一項重要工作：工程化地實現了一個超大規模光子矩陣計算系統，將器件性能推向極限（DeepTech 此前報道：中國團隊首度公開光電混合計算架構，已完成從概念驗證到產品交付的關鍵跨越）。

但不容忽視的是，當前的光計算技術正面臨一個核心瓶頸——源于其模擬特性的弱抗噪性。受限于這一弱抗噪性，為實現一定精度的計算，光計算系統往往需要追求超高光功率和超低光學損耗以提升信噪比，并依賴極高性能的數模（DAC，digital-to-analog conversion）與模數轉換（ADC，analogue-to-digital conversion）模塊，從而限制了系統的可擴展性和能效。

為突破這一瓶頸，光計算目前主要聚焦于優化光計算架構以提升光子利用率，開發新的專用電芯片和光電融合接口，以提高數模、模數轉換效率并降低能耗。然而，這一方案本質上仍依托光的模擬特性進行計算，從長遠來看依然受制于弱抗噪性的瓶頸。

能否讓光直接執行數字計算，從而繞過其模擬特性所帶來的根本限制？這一問題早在上世紀 60 年代就已引起眾多學者的研究關注。然而，由于光的玻色子特性導致光-光相互作用極弱，光學邏輯門難以在低能耗條件下實現，從而限制了光數字計算的進一步發展。如今，隨著對光這一宇宙最基本粒子的更深入理解，尤其是對其偏振特性的最新認知，光數字計算正值得被重新審視。

“光模擬計算和光數字計算就像華山派的‘劍宗’和‘氣宗’。近年來，領域內絕大多數都在做‘劍宗’的事情；而我們現在做的，不是靠能量堆出來的蠻力，而是以數學拓撲這一全新的非線性‘心法’，從光的角度同時解決能耗與抗噪兩大問題。我們不僅讓光的偏振屬性——這個在光計算中長期處于邊緣的最后一個‘算子’——重新回到聚光燈下，也讓‘氣宗’煥發了新的生機?！焙纬f。

圖丨廣義斯格明子加法器的實驗結果（來源：Nature Photonics）

從更長遠的視角來看，該研究有望解鎖下一代 AI 算力，而 AI 也將反過來促進該技術的發展。在光芯片制造層面，如前所述，由于光與物質之間的對偶性，物理場同樣具備抗噪聲優勢，使制造過程的誤差容忍度顯著提升。未來，研究人員可借助 AI 與大數據反饋來簡化設計流程——AI 能夠提供最優方案，例如通過機器學習優化與拓撲結構參數相關的邊界條件，或利用大數據迭代篩選出最優工藝路線，從而讓器件的生成過程更加簡單、高效且低成本，實現從“光助 AI”到“AI 促光”的正向循環。

一群平均年齡不到 27 歲的“追光”青年

“這篇 Nature Photonics 的 8 名作者都來自 VOP，平均年齡不到 27 歲。最高的職稱就是我（副教授）。”何超表示。

（來源：VOP 主頁）

何超帶領著一支充滿活力的年輕團隊。在 VOP 課題組的主頁上，有一個紅綠相間的眼睛形狀的隊徽——它既代表光，也包含 VOP 的字母。其配色靈感源自“悟空的眼睛”，寓意著希望課題組的每一位成員，都能像孫悟空一樣勇敢無畏、披荊斬棘，完成心中所想。

（來源：VOP 主頁）

“大船”上的團隊成員各具風采：

有智商爆表、被稱為“卷毛小天才”的牛津大學工程系本科生——該系建系以來唯一一位連續四年專業第一（斷檔第一）的學生；

有一騎絕塵、匈牙利全國奧林匹克物理競賽冠軍（斷檔第一）的物理鬼才，僅僅因為覺得何超教授的課有趣便加入團隊；

有從小就能手繪電路板的“超級極客”，面對百萬年薪的優厚邀請依然巋然不動，選擇在課題組繼續做博后；

有已成功創業、家境優渥的“科技二代”，依舊堅定要學到最頂尖的硬核技術，再度投身創新事業；

還有遠在新加坡的光芯片專家等熱血榮譽成員，攜手科研、勇往直前，共同組成了 VOP 的“大艦隊”……

他們選擇與 VOP 同行，很大程度上是因為這位年輕 PI 鮮明而充滿活力的個性。何超教授分別在清華大學與英國帝國理工學院獲得工程和生物兩個碩士學位，僅用兩年時間便在牛津大學工程科學系完成博士學位，并在成為講師約一年后晉升為副教授，目前已累計超過三百萬英鎊獨立科研經費。憑借超過百篇的高水平學術成果（DeepTech 此前報道：打破現有光束校正格局：科學家提出矢量自適應光學概念，解析更精準的醫學成像信息），何超教授入選了 2025 年度 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”（MIT Technology Review Innovators Under 35，TR35）亞太區名單。更令人意外的是，他還是一位原創歌手，已發表兩張原創專輯——詞、曲、演唱與設計和出品皆由他一人包攬。

此外，他總是不按常理出牌?！拔覀儓F隊的氛圍非常輕松活潑。除了做實驗會一起奮戰到深夜，我們也經常一起去旅游、喝酒、唱歌。我特別愛講段子，開組會并不‘嚴肅’。也正因為這樣，小組成員經常在自由討論中碰撞出創新的科研思路?！焙纬χf。

據悉后續研究早已啟動，團隊正進一步探索拓撲高維光場的廣泛應用——他們計劃制備首個基于光學斯格明子的片上嵌入式光子系統，同時推進基于超表面光斯格明子發生器的自由空間光通信與光互連研究。

這一全新體系仍擁有極為廣闊的發展潛力。研究人員正致力于讓它更完善、更廣義，從而開辟出更多未知的科研方向。部分成員已創立初創公司，并計劃進一步孵化企業，推動技術的設備化落地，拓展其衍生應用場景。

或許下一次算力革命，不是來自硅的芯片，而是來自光的拓撲。在光與數交織的海面上，VOP 的大船已揚帆起航，駛向新的計算紀元。

參考資料：

1.Wang, A.A., Ma, Y., Zhang, Y. et al. Perturbation-resilient integer arithmetic using optical skyrmions. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01779-x

2. 何超課題組主頁 https://voplab.com/

排版：劉雅坤