空间并行的相干伊辛机及包含其的求解器的制作方法

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本技术实施例大体上涉及量子通信与光通信领域，更具体地，涉及空间并行的相干伊辛机及包含其的求解器。背景技术：2.伊辛机是解决二元二次无约束优化的专用量子计算机。目前主流的相干伊辛机，采用时分复用的方式，基于时间维度的并行避免了装置空间维度全连接的冗杂，极大降低了制造成本，但这种基于时间并行的方法无法有效降低求解时间、提升求解效率；空间维度全连接并行的方式，虽可一定程度上的节省时间，但由于全连接的规模与求解问题的问题数量为2次方关系，致使在大空间尺度上设计该方案寸步难行，同时，目前主流的光电混合的相干伊辛机，其大量梯度运算仍有经典电学硬件完成，无法体现光计算的优越性。3.因此，本技术提出一种空间并行的相干伊辛机及包含其的求解器。技术实现要素：4.本技术实施例的目的之一在于提供一种空间并行的相干伊辛机及包含其的求解器，与传统的方法相比，其有效利用了伊辛机空间并行的方式，提升了求解性能。5.本技术实施例提供了一种空间并行的相干伊辛机，其包括：干涉模块，其用于更新光参数；以及光计算模块，其基于经更新的光参数通过光学网络进行计算。6.根据本技术的一些实施例，其中相干伊辛机是可编程的。7.根据本技术的一些实施例，其中干涉模块包括：光源；干涉仪，其用于将所述光源的输出转化为干涉信号；分束器，其用于对所述干涉信号进行空间路径分离分成若干路径；以及光电探测器，其用于探测所述若干路径中的至少一者的振幅。8.根据本技术的一些实施例，其中干涉仪使用电信号控制相位。9.根据本技术的一些实施例，其中干涉仪是马赫曾德尔调制器。10.根据本技术的一些实施例，其中干涉仪将前述光源的输出均等空间分离至第一路径和第二路径。11.根据本技术的一些实施例，其中依据伊辛问题变元的规模，选择相应自旋数量的光源。12.根据本技术的一些实施例，其中光计算模块包括：所述光学网络，其用于对所述干涉模块输出的光信号进行线性演化；以及光电转换器，其用于将演化后的光信号转变为电信号。13.根据本技术的一些实施例，其中所述光学网络基于待求解伊辛问题哈密顿量的耦合矩阵进行编码。14.根据本技术的一些实施例，其中光电转换器是光电二极管。15.本技术的另一实施例还提供一种求解器，其包括前述的相干伊辛机。16.本技术的另一实施例还提供一种光子芯片，其包括前述的求解器。17.本技术的另一实施例还提供一种求解伊辛问题的方法，其包括使用前述的求解器。18.根据本技术的一些实施例，其中使用求解器包括：训练光参数以产生第二光信号；所述第二光信号经由所述光学网络执行伊辛哈密顿量的梯度计算；通过光电转换器观测强度信号；以及输出所述伊辛哈密顿量的基态解。19.与现有技术相比，本技术实施例提供的空间并行的相干伊辛机及包含其的求解器，该伊辛机使用空间并行的方式，避免了全连接的冗杂结构，同时使用光学网络实现梯度计算，极大提升了求解性能。附图说明20.在下文中将简要地说明为了描述本技术实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本技术的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本技术中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中所例示的结构来获得其他实施例的附图。21.图1为根据本技术一些实施例的伊辛机结构示意图。具体实施方式22.为更好的理解本技术实施例的精神，以下结合本技术的部分优选实施例对其作进一步说明。23.本技术的实施例将会被详细的描示在下文中。在本技术说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本技术的基本理解。本技术的实施例不应该被解释为对本技术的限制。24.为便于描述，“第一”、“第二”等等可在本文中用于区分一个组件或一系列组件的不同操作。“第一”、“第二”等等不意欲描述对应组件或操作。25.在对本技术技术方案进行介绍之前，首先对本技术中涉及的一些关键术语进行解释说明：26.1.量子计算：基于量子力学规律以调控量子信息单元的计算方式。在量子世界中，微观粒子的状态是不可确定的，系统以不同的概率处于不同状态的叠加之中。量子计算和现有的计算模式完全不同，它借助量子力学的叠加特征，能够实现计算状态的叠加，它不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态(superposition)。量子计算存储数据的基本单元是量子比特，量子计算可以同时操纵n个量子比特的2n个状态，从而实现并行计算能力，节省了大量的运算资源，如时间、记忆单元等，其效果相当于经典计算机要重复执行2n次操作，或者采用2n个不同处理器实行并行操作。27.2.量子比特：量子计算的基本单元。传统计算机将信息编码为比特(bit)，使用0和1作为二进制的基本单元，1bit信息只能是0和1中的一种，而量子计算可以同时处理0和1，使得系统可以处于0和1的线性叠加态：|ψ》＝α|0》+β|1》，其中α，β代表系统在0和1上的复数概率幅。它们的模平方|α|2，|β|2分别代表处于0和1的概率。28.3.哈密顿量：哈密顿量以威廉·罗文·汉密尔顿(william rowan hamilton)命名，他也创造了牛顿力学的革命性改革，现在称为哈米尔顿力学，这在量子物理学中是重要的，哈密顿量是所有粒子的动能的总和加上与系统相关的粒子的势能。29.4.量子退火演化：一种基于量子特性实现量子退火算法的过程，量子退火算法是量子力学的绝热演化过程，模拟了量子力学里的量子隧穿效应，通过让量子效应缓慢下降(绝热演化)，找到一个解。30.传统的相干伊辛机为时间维度上并行的结构，时间维度上的并行节省了空间成本，实现装置简单，但以牺牲时间成本为代价，而基于经典电学计算硬件执行光学梯度下降步骤，需要较为复杂的光电转换系统，制作难度较大，成本较高。31.为解决现有光电伊辛机对于fpga等经典电学设备的庞大依赖，本技术提出的空间并行的相干伊辛机使用空间并行的方式，避免了全连接的冗杂结构，同时使用光学网络实现梯度计算，极大提升了求解性能，适用于求解伊辛问题，例如可以转化为二次无约束二元优化(qubo)函数或伊辛哈密顿量求解的组合优化问题。32.伊辛问题是一个数学规划问题，典型的可以转化为伊辛模型的问题有：旅行商问题、生产调度问题、0-1背包问题、装箱问题、图着色问题、聚类问题、最大团问题等。这些问题描述非常简单，并且有很强的工程代表性。伊辛问题求解的目标是得到二元变量有限的二次函数的最小值，或二次函数最小值时所对应的变量的解。伊辛哈密顿量可以表示为h＝∑i＜jjijσiσj，其中jij在伊辛哈密顿量中表示第i个自旋σi和第j个自旋σj的耦合强度。每个自旋的结果σi由二元值-1和1构成。当问题规模较小时，可使用穷举法遍历所有的组合，就能够找到最优解。然而，因为组合的规模为2^n，最优化求解的难度随问题的规模n呈指数增长。大规模伊辛问题的最优化求解是及其困难的，其主要原因是求解这些问题的算法需要极长的运行时间与极大的存储空间，以致根本不可能在现有计算机上实现，即所谓的“组合爆炸”。33.本技术提出的相干伊辛机用光学网络替代经典电学计算硬件实现更快的运算速度，空间维度并行的结构进一步提升了求解效率。34.图1为根据本技术一些实施例的伊辛机结构示意图。35.本技术提出的空间并行的相干伊辛机包括：干涉模块，其用于更新光参数；以及光计算模块，其基于经更新的光参数通过光学网络进行计算。36.根据本技术的一些实施例，相干伊辛机是可编程的。37.根据本技术一些实施例，干涉模块包括：光源；干涉仪，其用于将光源的输出转化为干涉信号；分束器，其用于对干涉信号进行空间路径分离分成若干路径；以及光电探测器，其用于探测若干路径中的至少一者的振幅。38.根据本技术的一些实施例，光源可以是光源阵列，以输出连续激光源，可依据伊辛问题变元的规模，选择相应自旋数量的光源阵列。39.例如，光源阵列激光光源的数量与待求解伊辛问题变元的数量相同，对于每列激光光源，输出波长与功率相同的单色激光。例如，对于单一阵列上的激光光源未有过高的需求，可使用波长为780nm，线宽为mhz量级，功率为0.1mw量级的激光光源。光信号可以表示为e＝e0cos(ωt)，其中e0为光信号的振幅，ω为光信号对应波长的圆频率。40.干涉仪用于将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路，例如马赫曾德尔调制器，对其中一条光支路的信号相位调制，并经过光合束以产生光的干涉信号。41.根据本技术的一些实施例，干涉仪使用电信号控制相位，例如马赫曾德尔调制器用于将所述光信号均等空间分离至第一路径和第二路径，每一路径的信号为[0042][0043]依据传输光信号的波导阵列对应位置的光电二极管的反馈电压，对马赫曾德尔调制器的第二路径的光信号脉冲进行相位调制。第n个波导阵列上，调制的相位成正比与光电二极管的反馈电压vn，可以表示为其中，vπ为引起光信号相位变化量为π时所需的半波电压。对每个波导阵列上干涉仪的第二路径的施加直流偏置电压，产生光信号的偏置相位第n个波导阵列干涉仪的第二路径的光信号被调制为第一路径与第二路径的光信号合束后，考虑高斯白噪声ζn，输出的光信号为出的光信号为[0044]分束器用于将光的干涉信号分成若干路，比如两路，一路用于振幅探测，另一路输入光学网络。例如，分束器用于对每个波导阵列上合束的光信号空间路径分离。透射光输入光电探测器，反射光输入光学网络。控制所述分束器的分束比，控制输入光学网络的光信号的强度降低在一个合理的范围。[0045]光电探测器用于探测经过分束器分束的一路光信号的振幅，基于收敛的振幅以确定伊辛问题的解。[0046]例如，光电探测器用于接受分束器路径分离的透射光，将其转变为可探测的电信号。对归一化的电信号xn施加电压偏置探测的归一化电信号表示为探测的归一化电信号表示为[0047]根据本技术一些实施例，光计算模块包括：光学网络，其用于对所涉模块输出的光信号进行线性演化；以及光电转换器，其用于将演化后的光信号转变为电信号。[0048]光学网络用于基于待求解伊辛问题的伊辛哈密顿量的耦合矩阵，对分束器分束的一路光信号线性演化，将输出光信号传输给光电二极管。[0049]光学网络对所有波导阵列分束器的反射光执行光学矩阵运算。光学网络的输入端与每个波导阵列一一对应。运算前，依据待求解伊辛问题哈密顿量的耦合矩阵编码光学网络。基于光学网络线性计算的幺正性，编码前对伊辛哈密顿量的耦合矩阵j做奇异值分解，该分解表示为其中u和v为幺正变换矩阵，σ为对角矩阵。光学网络由多个无损分束器构成，调节每个分束器的分光比，可实现局部任意2×2的光信号振幅的幺正运算其中t和r分别为分束器的透射率和反射率，a为光信号的振幅。分束器的分光比使用电信号进行调制。基于分束器对于局部2×2的光信号振幅幺正运算的任意性，利用拓扑结构设计整个光学网络的架构，实现任意规模的光信号振幅的任意幺正演化计算。奇异值分解在经典计算机完成，调节光学网络中的每个分束器，达到与奇异值分解的幺正变换矩阵u和v等同的幺正变换演化。[0050]对于奇异值分解的对角矩阵σ，使用一列马赫曾德尔干涉仪和一列光放大器实现。对对角矩阵σ归一化处理，记录归一化因子，调制每个马赫曾德尔干涉仪两臂的相位，使干涉光信号的干涉强度比与归一化对角矩阵对应位置的元素大小的平方相同。最后，光放大器依照归一化因子对每个光信号振幅进行同等强度的放大。[0051]光学网络对伊辛耦合矩阵j执行编码后，光信号的演化结果等同于aj＝∑i≠jjijai，该项即为伊辛哈密顿量对自旋x求偏导的结果。[0052]光电转换器，例如光电二极管，每个光电二极管连接的电路均与对应光源阵列位置的马赫曾德尔调制器第二路径连接，将每个波导阵列的光学网络的输出光信号转变为电信号进行反馈，通过电位器调节同等光强下光敏电阻的阻值，并将该反馈电压vn＝αin(其中α是与光敏电阻相关的系数)，输入干涉仪的第二路径进行相位的调节。[0053]基于上述伊辛机的功能，对该伊辛机执行训练。例如，光源阵列t时间段产生的激光，在干涉仪通过由t-1时间段产生的反馈电压调制一条路径的相位，干涉为包含有t-1时间段信息的光信号。该光信号经由光学网络执行伊辛哈密顿量的梯度计算，通过光电转换器转换为包含t时间段梯度信息的反馈电信号，融入t+1时间段的光信号中。通过光电强度探测器观测每个时间段产生的归一化的强度信号。观测到的强度信号分叉稳定后，伊辛哈密顿量的基态解由符号函数作用于探测的归一化电信号xn输出：σn＝sgn(xn)。[0054]本技术另一些实施例还提供一种求解器，其包括上述相干伊辛机，以对伊辛问题进行求解。例如通过训练光参数以产生光信号；该光信号经由光学网络执行伊辛哈密顿量的梯度计算；通过光电转换器观测强度信号；以及输出伊辛哈密顿量的基态解。[0055]本技术再一些实施例还提供一种光子芯片，其包括该求解器。[0056]使用空间并行的方式，利用光电转化的电信号的相位调制，实现了光信号在多次反馈中的分叉演化。相比于现有相干伊辛机的时间并行结构，其求解效率高；相比于现有相干伊辛机的空间并行结构，其设计难度低；相比于现有光电相干伊辛机对于电学硬件计算的高度依赖，其极大的降低制作成本。[0057]本技术的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本技术的教示及揭示而作种种不背离本技术精神的替换及修饰。因此，本技术的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本技术的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。









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