讓光信號(hào)做乘法?

  據(jù)劍橋大學(xué)和俄羅斯斯科爾科沃科技學(xué)院的研究人員稱，通過(guò)將光信號(hào)相乘，可以解決一系列具有挑戰(zhàn)性的計(jì)算問(wèn)題，這一方法可以應(yīng)用于圖論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能和代碼糾錯(cuò)中。

  在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)表的一篇論文中，他們提出了一種新型的計(jì)算方式——乘法，可以顯著減少所需的光信號(hào)數(shù)量，同時(shí)簡(jiǎn)化對(duì)最佳數(shù)學(xué)解決方案的搜索，從而實(shí)現(xiàn)超高速光學(xué)計(jì)算機(jī)，徹底改變模擬計(jì)算。

圖|在光子芯片上直接進(jìn)行乘法(來(lái)源：IBM)

  與傳統(tǒng)的使用電子的計(jì)算機(jī)不同，光子計(jì)算使用由激光或二極管產(chǎn)生的光子進(jìn)行計(jì)算。由于光子基本上沒(méi)有質(zhì)量并且可以比電子傳播更快，因此光學(xué)計(jì)算機(jī)將更加節(jié)能，并能夠通過(guò)多時(shí)空光學(xué)通道同時(shí)處理信息。

  光學(xué)計(jì)算機(jī)中的計(jì)算單元由光信號(hào)的連續(xù)相位表示，通常是將來(lái)自兩個(gè)不同光源的光波相加，然后將結(jié)果映射到「0」或「 1」的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算。

  但是，現(xiàn)實(shí)生活中存在高度非線性的問(wèn)題，其中多個(gè)未知數(shù)在進(jìn)行乘法運(yùn)算時(shí)會(huì)改變其他未知數(shù)的值。在這種情況下，以線性方式組合光波的傳統(tǒng)光學(xué)計(jì)算方法將失效。

  近日，劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系的納塔利婭·貝洛夫(Natalia Berloff)教授以及斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)學(xué)院的博士生尼基塔·斯特羅耶夫(Nikita Stroev)發(fā)現(xiàn)，光學(xué)系統(tǒng)可以通過(guò)將描述光波的波函數(shù)相乘而不是相加的方式來(lái)組合光波，這可能是另一種不同類型的表示光波之間連接的方式。

  他們使用稱為電磁極化子的準(zhǔn)粒子(半光半物質(zhì))闡明了這一現(xiàn)象，同時(shí)將這一思想擴(kuò)展到了更大的光學(xué)系統(tǒng)類別，例如光纖中的光脈沖。由于極化子的物質(zhì)組成，相干的、超快速移動(dòng)的極化子可以在空間中產(chǎn)生微小脈沖或粒子，并以非線性的方式相互重疊。

圖|光學(xué)微腔中的極化子(來(lái)源：The University of Sheffield)

  Stroev說(shuō)：「我們發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵要素是如何將脈沖彼此耦合。如果正確地實(shí)現(xiàn)了耦合和相應(yīng)的光強(qiáng)度，光就會(huì)成倍增加，從而影響單個(gè)脈沖的相位，給出問(wèn)題的答案。這樣就可以用光來(lái)解決非線性問(wèn)題?！?

  在這些光學(xué)系統(tǒng)的每一個(gè)元件中，用于確定光信號(hào)相位的波函數(shù)乘法或來(lái)自于自然發(fā)生的非線性或來(lái)自于引入的外部系統(tǒng)的非線性。

  「令人驚訝的是，不需要將連續(xù)的光相位映射到解決二進(jìn)制變量問(wèn)題所必需的0、1狀態(tài)上。相反，系統(tǒng)傾向于在尋找最小能量配置的末尾帶來(lái)這些狀態(tài)。這是通過(guò)將光信號(hào)相乘得到的屬性，而以前的光學(xué)機(jī)器需要共振激勵(lì)才能在外部將相位固定為二進(jìn)制值?！?

  作者還提出并實(shí)現(xiàn)了一種方法，可以通過(guò)臨時(shí)更改信號(hào)的耦合強(qiáng)度來(lái)引導(dǎo)系統(tǒng)給出解決方案。

  「我們將要開(kāi)始確定可以通過(guò)專用物理處理器直接解決的不同類型的問(wèn)題，高階二進(jìn)制優(yōu)化問(wèn)題就是這類問(wèn)題之一，光學(xué)系統(tǒng)可以非常有效地解決它們。」

  與現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)相比，光學(xué)計(jì)算要證明其在解決難題上的優(yōu)越性還需要解決許多挑戰(zhàn)：降噪、糾錯(cuò)、改進(jìn)的可伸縮性、將系統(tǒng)引導(dǎo)到真正的最佳解決方案。

  「通過(guò)改變框架來(lái)直接解決不同類型的問(wèn)題，可能會(huì)使光學(xué)計(jì)算機(jī)更接近解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題?！?