剑桥大学 信用:CC0公共领域 剑桥大学和俄罗斯斯科尔科沃科技学院的研究人员表示，一类重要的挑战性计算问题，应用于图论、神经网络、人工智能和纠错码，可以通过乘以光信号来解决
在发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中，他们提出了一种新的计算类型，这种计算可以通过大幅减少所需的光信号数量来彻底改变模拟计算，同时简化对最佳数学解决方案的搜索，从而允许超高速光学计算机的出现
光学或光子计算使用激光或二极管产生的光子进行计算，这与使用电子的经典计算机相反
由于光子基本上没有质量，并且可以比电子传播得更快，所以光学计算机将是超高速的、节能的，并且能够通过多个时间或空间光学通道同时处理信息
光学计算机中的计算元件——数字计算机的1和0的替代物——由光信号的连续相位来表示，并且计算通常通过将来自两个不同光源的两个光波相加，然后将结果投影到“0”或“1”状态来实现
然而，现实生活呈现出高度非线性的问题，其中多个未知数同时改变其他未知数的值，同时进行多重交互
在这种情况下，以线性方式组合光波的传统光学计算方法失败了
现在，剑桥大学应用数学和理论物理系的娜塔莉亚·贝洛夫教授
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来自斯科尔科沃科技学院的学生尼基塔·施特罗耶夫发现，光学系统可以通过将描述光波的波函数相乘而不是相加来组合光，这可能代表光波之间不同类型的联系
他们用被称为偏振子的准粒子来说明这一现象，偏振子是半光半物质，同时将这一概念扩展到更大类别的光学系统，如光纤中的光脉冲
由于极化子的物质成分，相干、超高速运动的极化子的微小脉冲或斑点可以在空间中产生，并以非线性方式相互重叠
“我们发现关键因素是如何将脉冲相互耦合，”施特罗耶夫说
“如果耦合度和光强正确，光会倍增，影响单个脉冲的相位，从而给出问题的答案
这使得利用光来解决非线性问题成为可能
" 确定这些光学系统的每个元件中的光信号相位的波函数的相乘来自于自然出现的或从外部引入系统的非线性
“令人惊讶的是，没有必要将连续的光相位投射到解决二元变量问题所必需的‘0’和‘1’状态上，”斯特罗夫说
“相反，系统倾向于在搜索最小能量配置的最后产生这些状态
这是光信号相乘的结果
相反，以前的光学机器需要共振激发，从外部将相位固定为二进制值
" 作者还提出并实现了一种方法，通过临时改变信号的耦合强度来引导系统轨迹朝向解决方案
“我们应该开始识别不同类别的问题，这些问题可以通过专用的物理处理器直接解决，”贝洛夫说
“高阶二元优化问题就是这样一类问题，光学系统可以非常有效地解决它们
" 与现代电子计算机相比，光学计算在解决难题方面具有优势，但在此之前仍有许多挑战需要应对:降噪、纠错、提高可扩展性、将系统引导至真正的最佳解决方案等
“改变我们的框架来直接解决不同类型的问题可能会使光学计算机器更接近于解决现实世界中的问题，而这些问题是经典计算机无法解决的，”贝洛夫说
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