本發(fā)明涉及一種新型光電計(jì)算技術(shù)，特別是一種多通道任意調(diào)控的全連接空間光子伊辛機(jī)，屬于光電智能計(jì)算。

背景技術(shù)：

1、光子伊辛機(jī)(photonic?isingmachine)利用光子的并行性處理能力與低延遲傳輸特性，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的光學(xué)系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)來(lái)模擬伊辛模型中的自旋相互作用和能量演化過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)伊辛模型求解的計(jì)算加速。

2、目前，主流光子伊辛機(jī)主要包括兩種路徑，一種是基于光子動(dòng)力學(xué)行為從而利用物理系統(tǒng)能量向低態(tài)自動(dòng)演化特性的光子伊辛機(jī)，以美國(guó)哈佛大學(xué)山本久井等人[science2016,354:603-606]提出的基于簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩器的光子伊辛機(jī)為代表，展示了光子在加速?gòu)?fù)雜系統(tǒng)模擬方面的巨大潛力。然而，隨著伊辛自旋規(guī)模的增加，系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感性也隨之增強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)間受限，成為實(shí)際應(yīng)用中的一大障礙。另一種是基于空間相位調(diào)制從而模擬伊辛自旋哈密頓量的計(jì)算加速。該方案通過(guò)空間光學(xué)調(diào)制器空分復(fù)用的方式加載自旋信息，利用光場(chǎng)相干疊加的方式實(shí)現(xiàn)伊辛哈密頓量的快速計(jì)算，可以非常輕易地實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的伊辛系統(tǒng)的模擬。然而，這種方案實(shí)現(xiàn)的哈密頓量計(jì)算僅限于特定的伊辛模型，即耦合矩陣只能是一個(gè)向量與其轉(zhuǎn)置相乘得到的對(duì)稱矩陣，這限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的通用性和靈活性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于衍射分束元件的多路激光空分復(fù)用并結(jié)合多路激光的偏振復(fù)用，從而利用矩陣分解的方式可以實(shí)現(xiàn)任意耦合矩陣條件下的全連接伊辛模型的計(jì)算加速，最終極大地拓展了空間光子伊辛機(jī)的求解問(wèn)題類型，將有力推動(dòng)空間光子伊辛機(jī)的實(shí)用化。一方面，本發(fā)明基于空分復(fù)用的模式極大拓展了空間光子伊辛機(jī)的耦合自由調(diào)控范圍；另一方面，通過(guò)二值相位型調(diào)制器如基于mems二值相位型調(diào)制器實(shí)現(xiàn)自旋矩陣快速翻轉(zhuǎn)的要求，以及常規(guī)液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)耦合矩陣的可編程加載，從而極大地提高了空間光子伊辛機(jī)的刷新頻率。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種多通道任意調(diào)控的全連接空間光子伊辛機(jī)，其特征在于，包括激光光源模塊、調(diào)制復(fù)用模塊和探測(cè)電控模塊；

4、所述激光光源模塊，用于完成激光光源發(fā)射、偏振控制與激光光路準(zhǔn)直與擴(kuò)束，至少包括兩個(gè)獨(dú)立的激光光路，每個(gè)光路包括激光器、二分之一波片和偏振分束棱器調(diào)整激光的偏振狀態(tài)，并通過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡形成準(zhǔn)直激光光源；

5、所述調(diào)制復(fù)用模塊，用于完成多通道自旋信息及耦合矩陣信息加載，包括至少兩個(gè)非偏振分束器，用于將激光光束分束；至少兩個(gè)二值相位調(diào)制器和衍射分束元件，分別設(shè)置于對(duì)應(yīng)的光路中，用于實(shí)現(xiàn)自旋矩陣的快速翻轉(zhuǎn)和將光束分割成多路子光束；多組液晶空間光調(diào)制器加載可編程的耦合矩陣，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)衍射分束元件的一個(gè)具有特定衍射角的工作級(jí)次，以實(shí)現(xiàn)后端多個(gè)級(jí)次的分離；

6、所述探測(cè)與電控模塊，用于實(shí)現(xiàn)多通道自旋哈密頓量光信號(hào)的同步采集，并完成每次迭代中多通道信號(hào)累加求和，以及哈密頓量光強(qiáng)信號(hào)變化的計(jì)算對(duì)比，從而生成是否接收當(dāng)前自旋矩陣的邏輯信號(hào)并反饋給對(duì)應(yīng)的二值相位調(diào)制器；

7、其中，全連接空間光子伊辛機(jī)通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)任意耦合矩陣條件下的計(jì)算加速：

8、-利用激光光源模塊產(chǎn)生至少兩路獨(dú)立且偏振可控的激光；

9、-通過(guò)調(diào)制復(fù)用模塊對(duì)激光進(jìn)行多通道復(fù)用與調(diào)制，加載自旋信息及耦合矩陣；

10、-通過(guò)探測(cè)與電控模塊同步采集多通道光信號(hào)，計(jì)算哈密頓量，并根據(jù)哈密頓量變化及metropolis規(guī)則更新自旋矩陣，直至滿足收斂條件。

11、優(yōu)選的，所述激光光源模塊包括第一激光器、第一二分之一波片、第一偏振分束棱鏡、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、第二激光器、第二二分之一波片和第二準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡；沿所述第一激光器發(fā)出的連續(xù)工作激光束經(jīng)過(guò)第一二分之一波片轉(zhuǎn)換為偏振方向與水平方向有一定夾角的線偏振光，經(jīng)過(guò)第一偏振分束棱鏡后，水平偏振分量進(jìn)入第二準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡，垂直偏振分量進(jìn)入第一準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡；沿所述第二激光器發(fā)出的連續(xù)工作激光束經(jīng)過(guò)第二二分之一波片轉(zhuǎn)換為偏振方向與水平方向有一定夾角的線偏振光，經(jīng)過(guò)第一偏振分束棱鏡后，水平偏振分量進(jìn)入第一直擴(kuò)束鏡，垂直偏振分量進(jìn)入第二準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡。

12、優(yōu)選的，所述激光光源模塊的第一準(zhǔn)直擴(kuò)束器和第二準(zhǔn)直擴(kuò)束器沿光路傳播方向依次設(shè)有物鏡、針孔和準(zhǔn)直透鏡；所述第一激光器、與第一空間濾波器中的物鏡、針孔、準(zhǔn)直透鏡保持中心對(duì)準(zhǔn)；所述第二激光器、與第二空間濾波器中的物鏡、針孔、準(zhǔn)直透鏡保持中心對(duì)準(zhǔn)。

13、優(yōu)選的，所述調(diào)制復(fù)用模塊包括對(duì)稱的兩路主光路；其中一路主光路為準(zhǔn)直擴(kuò)束后來(lái)自第一激光器的垂直偏振光和來(lái)自第二激光器的水平偏振光，沿光路傳輸?shù)姆较蚪?jīng)過(guò)第一非偏振分束器反射進(jìn)入第一二值相位調(diào)制器，經(jīng)過(guò)第一二值相位調(diào)制器加載0-π空間相位波前后，反射再次經(jīng)過(guò)第一非偏振分束器透射后，依次經(jīng)過(guò)第一透鏡和第一衍射分束元件后進(jìn)入第二偏振分束器，其中，水平偏振分量反射，經(jīng)過(guò)第三二分之一波片轉(zhuǎn)換為偏振方向與水平方向有一定的夾角的線偏振光，經(jīng)過(guò)第二透鏡及第一偏振非偏振組合分束棱鏡后，經(jīng)過(guò)前面的非偏振膜層后，一部分光反射后經(jīng)過(guò)第四透鏡聚焦進(jìn)入探測(cè)電控模塊中的光強(qiáng)監(jiān)測(cè)光纖中，另一部分光透射后，水平偏振分量透過(guò)后面的偏振膜層后進(jìn)入第二液晶空間光調(diào)制器，垂直偏振分量經(jīng)過(guò)偏振膜層反射后進(jìn)入第一液晶空間光調(diào)制器；經(jīng)過(guò)第一液晶空間光調(diào)制器和第二液晶空間光調(diào)制器反射的光沿原路返回，再次經(jīng)過(guò)第一偏振非偏振組合分束棱鏡的非偏振膜層后反射，入射到第二非偏振分束器，經(jīng)過(guò)第二非偏振分束器反射進(jìn)入第一聚焦透鏡組聚焦，形成空間分離的光斑陣列耦合進(jìn)入探測(cè)電控模塊中的第一光纖陣列；透過(guò)第二偏振分束器的光經(jīng)過(guò)第四二分之一波片轉(zhuǎn)換為偏振方向與水平方向有一定的夾角的線偏振光，經(jīng)過(guò)第三透鏡及第二偏振非偏振組合分束棱鏡后，經(jīng)過(guò)前面的非偏振膜層后，透射光中的水平偏振分量透過(guò)后面的偏振膜層后進(jìn)入第四液晶空間光調(diào)制器；垂直偏振分量經(jīng)過(guò)偏振膜層反射后進(jìn)入第三液晶空間光調(diào)制器；經(jīng)過(guò)第三液晶空間光調(diào)制器和第四液晶空間光調(diào)制器反射的光原路返回，再次經(jīng)過(guò)第二偏振非偏振組合分束棱鏡的非偏振膜層后反射，入射到第二非偏振分束器，透過(guò)第二非偏振分束器進(jìn)入第一聚焦透鏡組聚焦，形成空間分離的光斑陣列，耦合進(jìn)入探測(cè)電控模塊中的第一光纖陣列；

14、另一路主光路為準(zhǔn)直擴(kuò)束后來(lái)自第一激光器的水平偏振分量和來(lái)自第二激光器的垂直偏振分量，沿光路傳輸?shù)姆较蚪?jīng)過(guò)第三非偏振分束器反射進(jìn)入第二二值相位調(diào)制器，經(jīng)過(guò)第二二值相位調(diào)制加載0-π空間相位波前后，反射再次經(jīng)過(guò)第三非偏振分束器透射后，依次經(jīng)過(guò)第五透鏡、第二衍射分束元件，進(jìn)入第三偏振分束器，其中水平偏振分量透射，經(jīng)過(guò)第五二分之一波片轉(zhuǎn)換為偏振方向與水平方向有一定的夾角的線偏振光，經(jīng)過(guò)第六透鏡及第三偏振非偏振組合分束棱鏡后，經(jīng)過(guò)前面的非偏振膜層透射的一部分光，水平偏振分量透過(guò)后面的偏振膜層后進(jìn)入第六液晶空間光調(diào)制器；垂直偏振分量經(jīng)過(guò)偏振膜層反射后進(jìn)入第五液晶空間光調(diào)制器；經(jīng)過(guò)第五液晶空間光調(diào)制器和第六液晶空間光調(diào)制器反射的光原路返回，再次經(jīng)過(guò)第三偏振非偏振組合分束棱鏡的非偏振膜層后反射，入射到第四非偏振分束器，透過(guò)第四非偏振分束器進(jìn)入第二聚焦透鏡組聚焦，形成空間分離的光斑陣列分別耦合進(jìn)入探測(cè)電控模塊中的第二光纖陣列；經(jīng)過(guò)第三偏振分束器反射的光經(jīng)過(guò)第六二分之一波片轉(zhuǎn)換為偏振方向與水平方向有一定的夾角的線偏振光，經(jīng)過(guò)第七透鏡及第四偏振非偏振組合分束棱鏡后，經(jīng)過(guò)前面的非偏振膜層后，透射光中的水平偏振分量透過(guò)后面的偏振膜層后進(jìn)入第八液晶空間光調(diào)制器；垂直偏振分量經(jīng)過(guò)偏振膜層反射后進(jìn)入第七液晶空間光調(diào)制器；經(jīng)過(guò)第七液晶空間光調(diào)制器和第八液晶空間光調(diào)制器反射的光原路返回，再次經(jīng)過(guò)第四偏振非偏振組合分束棱鏡的非偏振膜層后反射，入射到第四非偏振分束器，經(jīng)第四非偏振分束器反射進(jìn)入第二聚焦透鏡組聚焦，形成空間分離的光斑陣列分別耦合進(jìn)入探測(cè)電控模塊中的第二光纖陣列。

15、優(yōu)選的，四個(gè)偏振非偏振組合分束棱鏡沿光路傳播方向第一個(gè)45度鍍膜面為非偏振分束膜層，第二個(gè)45度鍍膜面為偏振分束膜層。

16、優(yōu)選的，其中一路主光路中所述第一透鏡和第二透鏡組成共焦透鏡組，第一透鏡和第三透鏡組成共焦透鏡組，第一透鏡和第二透鏡、第三透鏡組成的共焦透鏡組的共焦面與第一衍射分束元件之間的距離d1，第一衍射分束元件的周期λ，所述第一二值相位調(diào)制器工作面和第一液晶光調(diào)制器工作面，以及第一二值相位調(diào)制器工作面和第二液晶光調(diào)制器工作面均關(guān)于第一透鏡和第二透鏡組成的共焦透鏡組滿足物像共軛關(guān)系，所述第一二值相位調(diào)制器工作面和第三液晶光調(diào)制器的工作面，以及第一二值相位調(diào)制器工作面和第四液晶光調(diào)制器的工作面均關(guān)于第一透鏡和第三透鏡組成的共焦透鏡組滿足物像共軛關(guān)系，且所述第一液晶光調(diào)制器到第二透鏡之間的距離、第二液晶光調(diào)制器到第二透鏡之間的距離、第三液晶光調(diào)制器到第三透鏡之間的距離、第四液晶光調(diào)制器到第三透鏡之間的距離d2，滿足下式

17、

18、其中，d為入射光束口徑，λ為入射光束工作波長(zhǎng)，f1為第一透鏡的焦距，f2為第二透鏡和第三透鏡的焦距；

19、另一路主光路類似。

20、優(yōu)選的，所述第一聚焦透鏡組和第二聚焦透鏡組均為遠(yuǎn)心掃描場(chǎng)鏡，用于將衍射分束元件發(fā)出的多路不同角度調(diào)制光等間隔且以較小角度耦合入射進(jìn)第一光纖陣列和第二光纖陣列。

21、優(yōu)選的，所述第一非偏振分束器、第二非偏振分束器、第三非偏振分束器、第四非偏振分束器均為50％:50％分束鏡。

22、優(yōu)選的，所述探測(cè)與電控模塊，包括：第一光纖陣列、第一探光電測(cè)器陣列、第一多通道采樣保持與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、第二光纖陣列、第二光電探測(cè)器陣列、第二多通道采樣保持與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)光纖、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)光電探測(cè)器，單一通道采樣保持與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列板卡；所述第一光纖陣列為單模光纖陣列，且該第一光纖陣列與第一光電探測(cè)器陣列之間的每個(gè)通道均設(shè)有針對(duì)激光光源中心波長(zhǎng)的窄帶濾波片；所述第二光纖陣列為單模光纖陣列，且該第二光纖陣列與第二光電探測(cè)器陳列之間的每個(gè)通道均設(shè)有針對(duì)激光光源中心波長(zhǎng)的窄帶濾波片；所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列板卡同步控制所述第一探光電測(cè)器陣列、第二探光電測(cè)器陣列、光強(qiáng)監(jiān)光電測(cè)探測(cè)器、第一二值相位調(diào)制器和第二二值相位探測(cè)器，并完成哈密頓量光強(qiáng)信號(hào)變化的計(jì)算對(duì)比，從而產(chǎn)生是否接收當(dāng)前自旋矩陣的邏輯信號(hào)并反饋給第一二值相位調(diào)制器及第二二值相位調(diào)制器。

23、優(yōu)選的，計(jì)算哈密頓量，公式如下：

24、

25、其中，其中，ii(t)代表第i個(gè)光電探測(cè)器第t次迭代時(shí)采集到的第i路光電信號(hào)，n為總的通道數(shù)，αi為第i個(gè)通道哈密頓量歸一化系數(shù)。

26、優(yōu)選的，所述調(diào)制復(fù)用模塊的第一衍射分束元件在第一透鏡后，第二透鏡及第三透鏡前，第二衍射分束元件在第五透鏡后，第六透鏡和第七透鏡前，且第一衍射分束元件及第二衍射分束元件均可以沿著光軸方向軸向移動(dòng)。

27、優(yōu)選的，所述第一衍射分束元件及第二衍射分束元件均為二維達(dá)曼光柵，所述第一衍射分束元件及第二衍射分束元件可以為二值相位結(jié)構(gòu)，也可以為多臺(tái)階相位結(jié)構(gòu)。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

29、1)本發(fā)明通過(guò)并行處理多個(gè)獨(dú)立激光光路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜伊辛模型的高效模擬。每個(gè)光路都能獨(dú)立地加載和處理不同的自旋信息及耦合矩陣，極大地提高了計(jì)算效率，尤其適用于處理大規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題，如組合優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)中的特征選擇等。

30、2)利用液晶空間光調(diào)制器加載可編程的耦合矩陣，使得系統(tǒng)能夠靈活應(yīng)對(duì)不同的伊辛模型配置，無(wú)需物理更改硬件結(jié)構(gòu)即可適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景。這種可編程性為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供了極大的便利性和通用性。

31、3)通過(guò)精確的激光光源控制(包括偏振控制和光路準(zhǔn)直擴(kuò)束)以及高精度的相位調(diào)制和衍射分束技術(shù)，確保了系統(tǒng)的高精度操作。同時(shí)，多通道信號(hào)的同步采集和累加求和機(jī)制，有效降低了噪聲干擾，提高了計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

32、4)保證光子伊辛機(jī)足夠高的刷新頻率。系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性好，對(duì)環(huán)境噪聲不敏感。