1977年，莱娅公主通过R2-D2投射出的蓝色全息影像，让"全息"成为科幻迷心中的圣杯。近半个世纪过去，我们有了佩珀尔幻象式的伪全息演唱会，有了需要特制眼镜的AR显示，但真正的动态、可编程、高容量全息技术始终卡在瓶颈处。

2026年5月，东南大学崔铁军院士团队在《Nature Electronics》上发表了一项足以重新定义全息技术边界的研究：他们利用一块仅有6144个单元的1-bit可编程超表面，在同一时刻生成了62幅独立的全息图像，覆盖从-55到+55的谐波阶数，且每幅图像都能被精确操控。更令人惊讶的是，这套系统的理论上限是1024个通道——相当于在同一块"电磁幕布"上，同时播放上千个互不干扰的"频道"。

共同第一作者：Ze Gu、Qian Ma

(资料图片)

通讯作者：Qian Ma、Jian Wei You、Tie Jun Cui

单位：东南大学 电磁空间研究院 / 毫米波国家重点实验室

从"时间换空间"到"时空折叠"

传统全息技术有一个根深蒂固的瓶颈：一幅全息图对应一个物理状态。想要显示多幅图像，要么在空间上分割（比如不同区域显示不同内容），要么在时间上切换（快速翻页制造动态错觉）。前者受限于物理孔径，后者受限于刷新速度。

崔铁军团队提出的"时空全息图"（Space-time Holograms, STH）彻底打破了这个二元对立。他们的核心洞察在于：时间维度本身就可以成为独立的信息通道。

具体来说，研究团队采用"空间-时间编码"（Space-Time Coding, STC）策略：超表面的每个单元不再保持静态相位，而是以特定频率（本实验中为800Hz）在两种状态（0和1，对应0°和180°相位）之间高速切换。这种周期性时域调制在频域上产生了一系列等间隔的谐波分量——相当于把一束单色电磁波"拆解"成多束不同频率的电磁波，每一束都可以独立携带一幅全息图。

图1 | STC超表面的相位恢复算法。

这里有一个精妙的物理细节值得品味：传统超表面全息依赖色散效应，即不同频率的光在材料中传播速度不同，从而实现频率复用。但时空编码超表面完全不同——它不依赖材料色散，而是主动"制造"出新的频率分量。这意味着，理论上只要调制频率足够高，谐波间隔就可以任意密集，通道容量可以远超传统频率复用的物理极限。正如论文中提到的，唯一的限制是调制频率本身，而非材料属性。

1-bit的"限制"与"解放"

团队使用的是1-bit相位调制（只有0°和180°两种状态），而非更精细的多bit相位控制。这在超表面领域堪称"极简主义"——通常认为，更多相位状态意味着更高的全息质量和更低的量化噪声。

图2 | 1-bit STC超表面110通道STH的数值模拟。

1-bit设计让系统规模可以大幅扩展。论文中的实验平台集成了6144个独立控制单元（96×64阵列），分为48个子板，由一块FPGA统一控制。这种规模在多bit系统中几乎不可能实现——控制线数量和功耗会呈指数增长。

这提示我们一个深层道理：在工程系统中，"约束"有时比"自由"更有创造力。1-bit的限制迫使算法和架构进行协同优化，反而催生出更简洁、更可扩展的解决方案。这与现代数字通信中"1-bit ADC"的复兴逻辑如出一辙——当采样率足够高，量化精度可以被时间维度补偿。

ST-GS算法：为什么这次"快"了160倍？

多通道全息的核心难点不是物理实现，而是计算——如何从目标图像反推出超表面每个单元在每个时刻的编码状态？这是一个典型的"相位恢复"逆问题，病态且非凸。

此前，这类问题通常依赖粒子群优化（PSO）等启发式算法，或者神经网络方法。但论文中给出了一个令人警醒的对比：在相同硬件条件下，PSO算法需要100次迭代、32个并行样本，耗时超过3秒；而团队新提出的ST-GS（Space-Time Gerchberg-Saxton）算法仅需10次迭代，耗时不到1毫秒——速度提升超过160倍。

图3 | 基于ST-GS算法的62个字符STH生成实验。

这个差距意味着什么呢？

在动态多目标跟踪实验中，系统的整体刷新率约为6fps（帧每秒），其中STC代码生成仅占30ms，FPGA数据传输占70ms。如果采用PSO算法，仅计算环节就需要3秒以上——系统根本无法实时响应。ST-GS算法的毫秒级速度，是这项研究从"实验室玩具"走向"实用系统"的关键一跃。

ST-GS算法的数学设计颇具匠心。它沿用了经典GS算法的"交替投影"框架：在目标平面（空间域）和超表面平面（编码域）之间反复迭代，但增加了一个关键步骤——在时域和频域之间通过DFT/IDFT进行转换。这种"双域交替"结构保证了算法的收敛性。更巧妙的是，团队发现连续傅里叶变换（FT）和离散傅里叶变换（DFT）之间存在固定的sinc函数包络差异，于是在初始化阶段引入预补偿，使得算法在离散计算中仍能精确控制连续频谱。

ST-GS算法的本质，是把全息计算从"空间优化问题"转化为"时空信号处理问题"。传统相位恢复算法只在空间域操作，计算复杂度随单元数平方增长；而ST-GS通过引入时域FFT/IFFT，将复杂度降至O(N·logN)级别。这不仅是算法技巧，更是一种思维范式的转换——当我们把超表面视为一个"时空信号处理器"而非"静态光学元件"，许多看似无解的问题会突然变得清晰。

从"静态显示"到"动态追踪"：多目标跟踪的实战检验

研究团队搭建了一个闭环系统：激光定位模块实时捕捉目标位置，计算机在30ms内生成新的STC编码，FPGA在70ms内完成数据下发，超表面刷新波束指向。整个周期约175ms，对应6fps的刷新率。实验中，一个以0.2m/s速度移动的小车（终端A）和一个固定终端（终端B）同时被跟踪，两路信号的强度波动分别控制在4dB和1dB以内。

图5 | 基于动态STH生成的MTT系统实验验证。

从应用角度看，这项技术对6G通信的意义尤为深远。当前智能超表面（RIS）技术面临的最大瓶颈之一，就是控制链路的延迟和复杂度。

如果超表面能够自主、实时地生成多通道波束，同时服务多个用户，将彻底改变无线网络的架构逻辑。论文中提到的1024通道聚焦点全息，本质上已经展示了"一个超表面同时服务数百个用户"的可能性。

这项技术离显示应用还有多远？

第一，频段限制。 当前实验在3.5GHz微波段，单元尺寸20mm（约0.24λ）。若要推向光学显示，单元需缩小到亚波长尺度，1-bit相位调制的实现难度将指数级上升。论文提到的THz波段CMOS超表面已有先例，但可见光仍是遥远目标。

第二，谐波能量效率。 图1e-g显示，DFT与FT的强度比遵循1/sinc(n/Nc)包络，远离中心谐波的能量必然衰减。62通道实验中，团队通过将编码长度增至121（高于理论最小值110）来补偿量化效应，但谐波间能量均匀性仍是 trade-off。

第三，"全息"的定义边界。 论文中的全息图本质上是"强度图案"，未涉及相位信息的完整重建。这与光学全息术中的严格定义有所偏离，更接近"计算生成图像"的范畴。

但这些不是批评，而是方向。论文本身也指出，STH可与偏振、波长等其他复用维度叠加，进一步提升信息容量。这种"维度堆叠"的思维，正是突破物理极限的经典路径。

文献信息

Gu, Z., Ma, Q., Han, Z.Q. et al. Space-time holograms based on programmable metasurfaces. Nat Electron (2026).

https://doi.org/10.1038/s41928-026-01647-8

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