近日，《自然·通讯》（Nature Communications）以“Universal convolution from wave dynamics: photonic processing and encryption in synthetic dimension”为题，在线发表了陆培祥教授领导的“强场超快光学”创新研究群体在光子卷积计算领域的最新研究成果。华中科技大学物理学院博士生苏小龙为论文第一作者，刘为为教授、王兵教授、陆培祥教授为论文共同通讯作者。卷积运算为信号处理、图像识别和人工智能等奠定了重要基础。传统光子卷积计算主要通过将卷积运算映射到复杂的光学系统（如马赫-曾德尔干涉仪阵列、微环谐振腔阵列等）。而且大多数方案通过在时域操纵光子，处理速度受限于串行编码延迟，从根本原理上制约了计算速度、可扩展性和集成潜力。

针对这一关键问题，研究团队基于平移对称晶格体系中的波动力学演化特征提出了光子卷积计算的普适性物理原理，即光子晶格中的光场演化对应于卷积运算，卷积核则由晶格的色散关系确定。基于这一原理性突破，研究团队利用单一电光调制器极简硬件体系构建了可编程合成频率维度光子晶格，通过调控晶格耦合强度即可实现卷积核的灵活操控。在实验中，团队利用该系统的可编程特性，成功演示了一维和二维图像的高斯模糊、锐化、边缘提取等处理任务，卷积计算速率高达每秒13.5万亿次运算（13.5 TOPS），且通过扩展编码带宽可进一步提升至24 TOPS以上。特别值得关注的是，通过设计不同构型的光子晶格，该方案可直接实现三角/六角/非对称等排布的异形图像卷积处理，为突破光子卷积计算的速率和可扩展性瓶颈开辟了全新物理路径。

图1.基于光子晶格演化动力学的光子卷积计算原理示意图。

图2.基于合成频率维度的高速光子卷积图像处理。

这一普适性原理不仅赋能高通量光子计算，更使得在同一物理平台上开展量子模型研究成为可能。由于光子晶格中的光场演化遵循薛定谔方程，其描述的卷积过程本质上对应着合成晶格中的扩散演化。研究团队通过分别构建不可逆和可逆卷积核，利用非相干初态成功模拟了经典粒子的不可逆扩散行为和时间可逆的幺正量子动力学过程。基于这种物理内禀的可逆性，研究团队进一步发展出一种新型光学加密/解密策略，即通过复值卷积核将数据与噪声同步扩散为密文，非相干光源的相位信息不可探测特性使得窃听者难以从数学上逆推该过程，而通过将逆卷积核作为物理密钥，即可使扩散过程被精确逆转并高保真地恢复原始信息。

图3.卷积驱动的不可逆扩散和可逆幺正量子动力学模拟。

图4.卷积驱动的光学加密/解密。

这项工作揭示了光子卷积计算的普适性原理，并以此为基础构筑了硬件极度简单的高性能、可编程光计算架构，同时演示了高速图像处理、量子动力学模拟以及光学加密等多功能场景应用，为发展面向光学神经网络、量子模拟和安全通信的可扩展、多功能光子处理器奠定了坚实的原理与实验基础。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74530-x