受量子启发的优化方法用于2比特量化相位-only超表面，实现近场多目标控制

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Quantum-Inspired Optimization for 2-bit Quantized Phase-Only Metasurfaces With Near-Field Multiobjective Control

量子启发式优化框架设计2比特量化相位超表面实现高精度近场多目标控制，通过QUBO/HUBO建模解决高维设计空间和多目标权衡问题，提出自适应加权与惩罚方法，HFSS全波仿真验证单点/多点聚焦优势及扩展性，O(N^1.95)复杂度。

　　

摘要：

本文提出了一种基于量子原理的优化框架，用于设计能够实现精确近场多目标控制的2比特量化相位调制超表面。针对传统方法（如相位梯度法（PG）、模拟退火法（SA）和遗传算法（GA）在处理复杂高维设计空间及多目标问题时的局限性，我们采用了离散模拟分岔（dSB）算法。该算法的关键创新在于将电磁问题有效地映射为2比特相位的二次无约束二进制优化（QUBO）问题，并可扩展到更高阶的无约束二进制优化（HUBO）以适应多目标场景（例如通过惩罚函数）。为了解决多目标聚焦中的固有权衡问题，我们提出了两种新颖策略：一种自适应加权方案用于实现任意强度比，另一种惩罚函数用于保证能量均匀性。数值实验表明，dSB在单点聚焦方面表现优异，相较于基准方法具有更高的效率并产生更清晰的焦点；在多点聚焦时，dSB能够实现更高的总效率，并生成质量更优的图案，同时显著减少能量泄漏和焦内干涉，即使对于复杂的非对称图案（如Z形结构）也是如此。我们优化设计的实际性能通过使用HFSS进行的全波模拟得到了严格验证，这些模拟充分考虑了超表面的复杂耦合效应和实际电磁相互作用，从而证明了算法的稳健性。此外，可扩展性分析表明该算法具有良好的多项式时间复杂度（O(N^1.95 ≤ O(N^2.08)），使其非常适合用于大规模超表面阵列。这项工作为设计具有复杂功能的先进近场超表面提供了一种通用且可靠的方法。

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引言

超表面是一种人工设计的二维超材料，由于其在亚波长尺度上能够精确控制相位、振幅和偏振，极大地推动了电磁波操控技术的发展[1]、[2]、[3]。其中，通过精心设计的亚波长结构实现的量化相位调制阵列尤其具有吸引力[4]、[5]、[6]。这种方法不仅通过限制相位状态的数量简化了控制机制，还在制造和集成方面具有经济优势，并实现了高效的电磁波操控，从而促进了紧凑型高性能设备的发展[7]。因此，这些多功能平台被广泛应用于从先进光学和全息术到高效无线通信和生物医学传感等多个领域[8]、[9]、[10]。虽然早期研究主要集中在远场现象上，但超表面的近场操控能力最近受到了广泛关注。这种兴趣的增长源于它们独特的控制衰减波的能力以及提供高度局部化的场增强效果，为传统远场应用开辟了新的可能性。具体而言，这一领域在高分辨率成像方面具有巨大潜力，能够突破衍射极限实现超分辨率；在非辐射能量传输方面，对于短距离高效无线能量传输至关重要；在高级传感方面，能够实现对局部环境微妙变化的高灵敏度检测；在安全近场通信方面，能够在近距离内实现稳健的数据传输[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。这些新兴应用凸显了有效控制和优化近场电磁场以实现高性能功能的重要需求。