當(dāng)電磁波照射時(shí)，亞波長(zhǎng)尺度的亞表面粒子可以將入射能量耦合到振幅、相位和偏振可控的自由空間，從而使透射的波，可以通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的功能靈活地操縱。

近年來(lái)，數(shù)字和信息元表面的快速發(fā)展刺激了許多信息處理應(yīng)用，如計(jì)算成像、無(wú)線通信和執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。隨著對(duì)元曲面信息處理的研究越來(lái)越多，迫切需要一種從信息角度刻畫元曲面性質(zhì)的一般理論。

現(xiàn)在東南大學(xué)崔鐵軍（音譯）教授的團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)李連林（音譯）教授合作，在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》上報(bào)道了這一課題的突破性進(jìn)展，題為“亞表面信息理論”（第一作者是研究生吳浩田（音譯））。

在這項(xiàng)研究工作中，提出了一個(gè)一般的超表面信息理論來(lái)分析超表面信息與其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖之間的關(guān)系。為了從信息的角度分析超表面，科學(xué)家們引入了一個(gè)通用的孔徑模型來(lái)表征超表面振幅和相位響應(yīng)。

通過(guò)在L2空間中結(jié)合具有不確定關(guān)系的亞表面一般孔徑模型，科學(xué)家們找到了亞表面輻射圖樣中包含的信息上限，并揭示了亞表面可實(shí)現(xiàn)的正交輻射態(tài)的理論上限。所提出的理論也為超曲面相對(duì)于給定功能的反求設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

也就是說(shuō)，一旦指定了所需的輻射方向圖，則變形表面尺寸必須大于所提出的理論預(yù)測(cè)值，否則無(wú)論采用何種設(shè)計(jì)策略都不可能實(shí)現(xiàn)所需的輻射方向圖，此外，通過(guò)對(duì)無(wú)序相位調(diào)制亞表面信息的研究。

研究還發(fā)現(xiàn)了無(wú)序亞表面產(chǎn)生混沌輻射方向圖的信息不變性(1-γ)。結(jié)果表明，無(wú)序相位調(diào)制輻射方向圖的遠(yuǎn)場(chǎng)信息總是等于1-γ(γ(歐拉常數(shù))，這與亞表面的大小、亞表面單元的數(shù)目以及位相分布無(wú)關(guān)。

為了驗(yàn)證提出的理論，科學(xué)家們首先分析了具有不同幅度和相位調(diào)制的多組亞表面樣本產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖信息。計(jì)算結(jié)果均受所提出理論提供的不等式約束，此外，為了驗(yàn)證無(wú)序變形表面的信息不變性。

研究計(jì)算了由多組無(wú)序相位調(diào)制變形表面樣本生成遠(yuǎn)場(chǎng)圖案的信息：1比特?cái)?shù)字編碼相位，每個(gè)相位隨機(jī)地取0和π之一；2比特?cái)?shù)字編碼相位，每個(gè)相位隨機(jī)取0、π/2、π和3/2π之一，以及用均勻概率分布描述的連續(xù)隨機(jī)相位變量。

類散斑輻射方向圖的計(jì)算結(jié)果與理論預(yù)測(cè)(1-γ)吻合較好，有力地證明了混沌遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的信息不變性?？茖W(xué)家們預(yù)測(cè)：該理論建立了一個(gè)表征元表面信息處理能力的定量框架。

為從信息角度理解元表面提供了更深層次的物理見解，并為元表面的分析和設(shè)計(jì)提供了新途徑。這項(xiàng)研究結(jié)果普遍適用于廣泛的光譜，這將有助于為未來(lái)對(duì)信息元表面制度的研究奠定基礎(chǔ)。

研究預(yù)測(cè)這一理論為從信息角度理解元表面提供了更深層次的物理見解，并為元表面的分析和設(shè)計(jì)提供了新途徑。研究結(jié)果普遍適用于廣泛的光譜，這將有助于為未來(lái)研究信息元表面的機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

博科園｜研究/來(lái)自：中國(guó)科學(xué)出版社

參考期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》

DOI: 10.1093/nsr/nwz195

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