仿真工具升级，支撑下一代光子与量子器件研发

现代诸多技术，从光通信、AI硬件，到高端传感器与医学成像设备，均依赖可精准调控光与电子相互作用的光子器件与半导体器件。但这类器件的设计工作始终存在巨大难点：现有仿真工具往往迫使研究人员二选一，要么对完整器件建模，要么精细刻画电子微观行为，几乎没有工具能在同一套模型中同时实现两项功能。

新加坡科技设计大学（SUTD）与新加坡国立大学（NUS）的研究团队，研发出一套全新计算方案：在业内广泛应用的开源粒子网格（PIC）仿真方法基础上，融入凝聚态物理理论进行拓展优化。由此打造出一体化仿真平台，可对金属、半导体及各类新兴量子材料中更多类型的光-物质相互作用开展模拟计算。

相关研究论文《量子等离子体的粒子网格仿真》发表于《Computer Physics Communications》期刊。该成果证明，成熟的等离子体物理仿真工具经改造后，可用于凝聚态体系研究，为光子与量子技术的设计开辟全新路径。

兼顾全局视角与微观细节

仿真技术是新型光子、半导体技术研发的核心支撑。工程师依托虚拟仿真模型预判器件性能，避免在流片制备阶段投入大量时间与成本。但当前各类仿真工具普遍功能单一、各有侧重：部分工具可完整仿真整个器件，却难以解析器件内部电子的运动规律；另一类工具能极致精细地刻画电子行为，却仅适用于尺寸远小于实际商用器件的微观结构。

我们可以用谷歌地图类比这一矛盾：缩小视图，你能看清整座城市全貌，却看不到路上每一辆车；放大视图，你能追踪单台车辆轨迹，却失去对全城交通整体走势的把控。现有仿真工具同样存在这种取舍难题。而这套全新仿真方案同时兼顾两种仿真维度，让科研人员既能掌握器件全局特性，又不会丢失电子微观细节。

新加坡科技设计大学数理与工程技术学部WuLin副教授表示：“多年来，科研人员只能二选一，要么研究完整器件的整体工作特性，要么观测单个电子的微观运动。我们希望打破这种取舍限制。我们没有从零搭建全新仿真框架，而是在成熟通用的仿真方法上做拓展升级，最终形成这套计算体系，帮助研究人员更完整、立体地解析先进材料内部光与电子的交互机制。”

基于成熟工具迭代优化

研究团队并未从零开发全新仿真软件，而是对全球等离子体物理领域公认可靠、广泛应用的成熟计算方法进行功能增强。粒子网格（PIC）仿真法多用于模拟带电粒子与电磁场，但该方法最初面向经典等离子体开发，无法直接模拟金属、半导体、石墨烯等凝聚态材料中电子的量子行为。

为突破上述局限，该研究团队新增四大物理计算模块，对粒子网格仿真体系进行拓展，使其能够捕捉关键量子效应，同时完整保留原有仿真方法的核心优势。依托这些新增模块，科研人员仅需一套计算平台，就能开展更多种类的纳米尺度光-物质相互作用研究。

研究团队在多种凝聚态体系中验证了这套仿真框架的有效性，涵盖等离激元金属、紫外硅纳米结构、石墨烯基材料等，充分证明该框架具备研究复杂电磁现象的通用性。

下一阶段的研发目标

该研究成果将惠及下一代半导体、光子技术领域的科研人员与工程师。依托精度更高、还原度更强的仿真模拟，研发人员可在流片制造前，通过虚拟仿真完成大量设计方案验证，大幅缩短光子集成电路、光学传感器、激光器、发光二极管（LED）、太阳能电池的研发周期，降低开发成本。

从长期发展视角来看，研究团队计划将这套仿真框架用于光子、半导体器件数字孪生的搭建。数字孪生是与实体器件高度匹配的虚拟模型，工程师可借助虚拟模型提前优化器件性能，无需反复制作实物样品。该能力将加速AI计算、通信、可再生能源、医疗健康等领域的技术迭代创新。

团队已将优化后的粒子网格仿真代码开源，希望全球科研工作者共同迭代完善这套仿真平台。这种协同开发模式可避免全球科研人员重复开发同类工具，加快整个行业的研究进展。

WuLin副教授表示：“这仅仅是研究的开端。整套仿真框架全部开源，我们期待全球各地的研究者持续拓展该平台，开发适配更多新型材料的模型与应用场景。我们的终极目标是搭建完善的器件数字孪生体系，实现光子、半导体器件在实体加工前，完成全流程虚拟设计、仿真测试与性能优化。”

团队下一阶段的研发目标：一是在现有平台中集成更多物理模型，包含复杂多粒子相互作用、尚未实现仿真的精细电子能带结构；二是拓展平台能力，实现与真实商用器件尺寸匹配的大规模仿真计算。同时，团队正在基于物理信息神经网络开发AI加速模块，在不牺牲物理仿真精度的前提下缩短计算耗时，让光子、半导体器件实用化数字孪生的落地更近一步。