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)可以通過將描述光波的波函數(shù)相乘而不是相加的方式來組合光波，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(來源：The University of Sheffield)

  Stroev說：「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，給出問題的答案。這樣就可以用光來解決非線性問題?！?

  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)乘法或來自于自然發(fā)生的非線性或來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這些狀態(tài)。這是通過將光信號(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，可以通過臨時(shí)更改信號(hào)的耦合強(qiáng)度來引導(dǎo)系統(tǒng)給出解決方案。

  「我們將要開始確定可以通過專用物理處理器直接解決的不同類型的問題，高階二進(jìn)制優(yōu)化問題就是這類問題之一，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。

  「通過改變框架來直接解決不同類型的問題，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)無法解決的現(xiàn)實(shí)問題?！?