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上海交大金贤敏团队实现可扩展非冯诺伊曼光子计算机

【人工智能网】

1月31日,上海交大金贤敏团队在最新一期美国《科学》杂志子刊ScienceAdvances以“A Scalable Photonic Computer Solving the Subset Sum Problem”为题宣布最新研讨成果,提出了一种非冯诺依曼体系下的新型光子盘算架构,展现了在求解具有NP-Complete盘算复杂度的子集和问题(Subset Sum Problem)上逾越典范电子盘算机的潜力。这是一种连系了集成芯片、光子观点和非冯诺依曼盘算架构的光子盘算机,能够完成NP-Complete难明问题的高速直接运算,而且物理规范具有可扩大性。该项研讨供应了“量子霸权”以外逾越典范电子盘算机算力的新思路,光子盘算机未来可期。

提到盘算机,大多数人最早想到的多是遍及在一样平常生活和生产中的电子盘算机。回溯电子盘算机的生长进程,自从集成电路被发明以来,它的机能基础根据摩尔定律展望的趋向日趋剧增。不停提拔的集成度给予了电子盘算机愈来愈壮大的盘算才能,使人们能够更高效地处理问题。但近些年来,不停有研讨指出,摩尔定律将在不远的未来不再实用,电子盘算机的进一步生长将遭到物理原理上的基础限定。这主要归因于跟着高度集成化而来的“散热问题”和“量子隧穿效应”。

 

面临电子盘算机的生长瓶颈,追求潜伏的新型盘算体式格局是进一步推进人类盘算才能上限的主要手腕,量子盘算、DNA盘算,光盘算等不停被提出。2019岁尾,谷歌演示了53量子比特的量子盘算机,经由历程求解随机量子电路采样如许一个特定问题宣示了“量子霸权”或许称量子优越性,抢先展现了非冯诺依曼盘算架构的上风。金贤敏研讨团队提出并演示了另一种可选择的设计,不依赖软弱的量子特征,而是主要借助单光子级可测等上风,一样展现出了在特定盘算问题上打败典范盘算机的潜力,有望成为这场与典范盘算机算力比赛的有力竞争者。

 

研讨团队在光子盘算机上求解的特定问题称为子集和问题(SSP),从盘算复杂度来看,属于NP-Complete问题,即NP问题中最难明的一种(NP问题是典范盘算机没法高效求解的一大类问题)。详细来说,跟着问题规范的增添,响应的解空间将呈指数趋向增进。关于串行运算的典范电子盘算机而言,盘算时候也将指数增进。在典范盘算机上难明的这一特性使得求解SSP可作为权衡新型盘算架构的盘算才能的主要规范。与此同时,SSP和资本优化设置问题严密相干,求解SSP具有主要的现实意义,可被应用于通信带宽的分派,工场生产线部署等现实场景中。

 

子集和问题的详细形貌以下:给定一个包含N个元素的鸠合S,问在S的子集合是不是存在一个和即是T的子集。比如说,关于鸠合{3,7,9,11}, 问是不是存在一个子集的和即是20,那末答案是存在,且对应的子集为{9,11}。显著,一切大概子集的总数2N跟着鸠合的元素个数N的增大而指数增进。

光子盘算机的设想原理图和试验装配金贤敏研讨团队胜利地将SSP映照到由三种基础构造构成的三维集成光波导收集中,并借助飞秒激光直写手艺刻写在光子芯片内部。当光子被注入光波导收集时,盘算历程由此被激活。光子作为盘算载体,类似于典范盘算机中的电信号,在光波导收集中演变,并行搜刮一切大概的演变途径来寻觅解。差别的演变途径对应差别的元素组合,即子集。同时,光子的空间活动行动(程度或竖直)代表着元素是不是被计入乞降。一切途径对应的演变效果在光波导收集的输出端被同时读取,根据演变效果便可直接给出问题的解。

 

研讨人员发明,得益于光子盘算机的并行运算体式格局,集成光波导收集的紧凑性,以及光与生俱来的上风,包含超高的传播速度,强抗干扰才能,超低的可被探测能量(即单个光子的能量,~10-19焦耳)等,SSP的求解得以被加快。关于由前N个质数构成的鸠合而言,光子盘算机求解SSP问题所斲丧的时候远低于典范电子盘算机,而且这类抢先上风跟着问题规范N的增添而越发显著。光的上风在所提出的光子盘算架构中得以充足发挥,并胜利被应用于完成复杂问题的加快盘算。与实行傅立叶变更等特定使命的光盘算机差别,光子盘算机的集成芯片体系有利于SSP的大范围映照完成,而关于问题尺寸增添带来的输出信号疏散变弱问题,也由于单光子级可测的光子观点而有用处理,终究保证了光子盘算机物理规范具有可扩大性。

SSP的详细例子的试验效果量子盘算、DNA盘算、光盘算、光子盘算……,在新型盘算体式格局百花齐放的本日,难以定论谁将是终究赢家,或各自由相干特定问题求解上各显神通。无论如何,光子盘算根据其独占的特性和上风,都有望在扩大人类盘算才能上饰演主要角色。如同对特定问题SSP的加快求解,在更多典范电子盘算机难以应对的场景中,光子盘算上风仍守候开发。未来,研讨团队愿望充足挖掘光子盘算机的可扩大性,经由历程构建更大范围光子芯片和丈量体系,向更大问题尺寸和算力迈进。逾越算力提拔自身,研讨团队也憧憬一种夹杂盘算机(Hybridcomputer),经由历程集成光子盘算加快模块和典范电子盘算机,完成可实用化的处理设计。

 

上海交大在各方大力支持和勤奋下,成立了集成量子信息手艺研讨中间(IQIT),依托上海交通大学物理与天文学院,团结电子信息与电气工程学院,以及地区光纤通信网与新型光通信体系国度重点试验室,致力于在光子集成与量子信息手艺范畴打造跨学科研讨洼地、造就顶尖人材、引领科技立异、推进产业生长。中间团队近年来代表性研讨成果包含:制备了天下最大范围三维集成光量子盘算集成芯片,并演示了真正空间二维量子行走,宣布在Science子刊《科学-希望》上,并被评为2018年十大光学产业手艺;制备出了天下首个轨道角动量波导光子芯片;基于三维光子集成芯片完成了疾速抵达量子加快算法,宣布在Nature 子刊《天然-光子学》上,并当选2018年中国光学十大希望;初次试验制备未来可用于高维量子盘算的轨道角动量光子芯片;以及在量子拓扑光子学范畴取得了一系列前沿希望,提出的拓扑庇护量子的新机制被Science撰文报导。

 

研讨团队谢谢上海市科委重大项目和国度天然科学基金重点项目的落井下石,谢谢中组部青年千人设计、国度重点研发设计、上海市教委的大力支持。上海交通大学集成量子信息手艺研讨中间(IQIT)博士生徐晓芸为论文第一作者,金贤敏传授为论文通信作者。

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