一种基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法技术方案

本发明专利技术涉及光子伊辛机计算技术领域，公开一种基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法，基于微环谐振器以及用于动态调节微环谐振器耦合率的MZM，将节点信号时分复用，在光域中实现节点耦合，并将更新后的节点信号重新输入伊辛计算系统，使得该伊辛机能够不断完成新的迭代，进而逼近基态，使得系统能够准确找到全局最小值，从而实现计算高效，可集成性好的伊辛计算系统。本发明专利技术创新性地利用MZM与微环级联的形式，在光域内使用简易，可集成的结构实现了节点耦合，大大缩小了系统规模，具体集成化的潜力，还能利用光的高带宽，低延迟特性提高计算效率，更有效地把伊辛模型映射到光学网络/芯片上，使得系统在基态搜索时能够快速准确地找到全局最优解。确地找到全局最优解。确地找到全局最优解。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法


[0001]本专利技术涉及光子伊辛机计算
，特别是涉及一种基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法。

技术介绍

[0002]随着人工智能、机器学习等概念和技术的兴起，现实生活和科学研究中涉及到越来越多NP
‑
Hard或NP
‑
Complete的组合优化问题，这些问题无法在多项式时间内求解出精确解，使用常规方法通常需要耗费大量的时间以及计算资源，而将这些问题归化为伊辛问题，即求解由以给定权重[J
ij
]相互连接的、取值仅可为+1或
‑
1的N个节点{σ
i
}组成的网络系统的伊辛哈密顿量：
[0003]的最小值，及其对应的{σ
i
}序列，可以简化许多组合优化问题的求解复杂度。目前主流的解决伊辛问题的方法主要有基于传统电子计算机的模拟退火、Hopfield神经网络算法或基于光学伊辛机的自动寻优方法。基于传统的算法，当伊辛问题的规模较大，传统电子计算机并不能简便，高效而精确地求出问题的解。而光学伊辛机利用了光本身高带宽，低延迟等优点，通过基于外部泵浦使得光场出现振荡的基本物理原理实现能够高效求解大规模伊辛问题的光学物理平台。
[0004]在传统的光学伊辛机中，通过对光场的时分复用定义节点，以光场的相位、强度等信息代表节点状态，并通过“测量
‑
反馈”的方法对节点进行耦合，可以将伊辛模型映射到光场网络上。当光场的增益逐渐增大至恰好等于系统的最低损耗时，光场在光学反馈回路中可以出现并锁定一种与光场相位、强度等性质有关振荡模式，反映了该伊辛模型的最低伊辛哈密顿量及其对应的节点状态。在整个寻优过程中，节点的耦合占据了大量时间与计算资源，是整个伊辛机中最为关键的步骤。但是，在之前的许多光学伊辛机实现方法中，节点的耦合大多在电域内通过数字逻辑电路进行，不仅没有利用光本身高带宽，低延迟等优势，反而在“测量
‑
反馈”环节引入了更加复杂的光电，电光转换，降低了计算效率。
[0005]现有技术公开了一种用于优化光学伊辛机系统的方法，包括以下步骤：根据求解任务的需要和光学伊辛机系统的运行情况，在光学伊辛机系统设定需要的参数，并输入至光学伊辛机系统的光学回路；对从伊辛机光学回路中提取的信号和参数进行数据处理，并把处理后的信号反馈到伊辛机光学回路中；从伊辛机光学回路中输出求解任务的运算结果，把伊辛哈密顿量映射到伊辛机的光学网络上；利用伊辛机光学回路，通过对信号和参数进行数据处理实现节点之间的耦合及节点自身的增益，其中节点的增益设置，根据每一个循环中，每一节点幅值与所有节点的平均幅值的差别，自适应地针对该节点施予不同的增益大小，而不同于大多数伊辛机中对所有节点采用同一的、固定的常数值。该专利在整个寻优过程中，节点的耦合占据了大量时间与计算资源，并是通过数字逻辑电路进行，不仅没有利用光本身高带宽，低延迟等优势，反而在“测量
‑
反馈”环节引入了更加复杂的光电，电光转换，降低了计算效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种计算高效的基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法，包括以下步骤：
[0008]S1、根据求解任务的需要和伊辛计算系统的运行情况，在伊辛计算系统设定需要的参数；
[0009]S2、伊辛计算系统设置了MZM和微环谐振器，MZM和微环谐振器级联形成电光调制环路，MZM用于动态调节微环谐振器耦合率；
[0010]将从伊辛计算系统的光学回路中提取的信号作为节点信号，通过电光调制环路将节点信号时分复用，在光域中实现节点耦合，让节点信号进行更新，完成伊辛计算系统的迭代，并将更新后的节点信号重新输入伊辛计算系统，使得伊辛计算系统不断完成新的迭代；
[0011]S3、从光学伊辛机系统的光学回路中输出求解任务的运算结果，把伊辛哈密顿量映射到光学伊辛机系统中。
[0012]进一步地，在步骤S1中，设定的参数包括增益系数α、耦合矩阵J
ij
和耦合系数β。
[0013]进一步地，步骤S2包括：
[0014]S201、信号输入：将从伊辛计算系统的光学回路中提取的信号输入到MZM中，通过光强度调制转换为时分复用的节点信号；
[0015]S202、耦合矩阵到微环耦合率的映射：伊辛计算系统设置运算单元，运算单元由微环谐振器构成，在运算单元内，将增益系数α，耦合系数β与耦合矩阵J
ij
整合为一个统一的耦合矩阵将伊辛计算系统的每个迭代过程简化为一个矩阵与向量的乘加运算，随后将该耦合矩阵J
′
ij
映射为使用MZM调节的随时间变化的耦合率σ
k
(t)；
[0016]S203、节点耦合：对于每个节点，由MZM输入时分复用的节点信号后，分别调制其他各个节点对其在步骤S202中得到的耦合矩阵J
′
ij
对应的耦合率σ
k
(t)，最后时刻输出的光强值即为该节点在下一个时刻的状态；在分别更新每个节点以后，即可完成一次完整的迭代过程，其迭代公式如下所示：
[0017][0018]其中N为节点总数；
[0019]S204、信号接收：更新完一个节点的状态以后，使用PD接收此时微环谐振器的输出并将其转化为电信号储存进入缓存，随后使用清零信号将微环谐振器中信号置零，继续更新完所有节点状态，然后将缓存中的所有信号按照接收时的时序依次输出，作为下一次迭代时输入的节点信号。
[0020]进一步地，在步骤S201中，在外部时钟驱动下，数模转换器把DSP单元中经过数据处理的数字信号S
k
转换为模拟信号x
k
，再经过任意波形发生器将该模拟信号输入到MZM中通过光强度调制转换为时分复用的节点信号。
[0021]进一步地，在步骤S202中，微环耦合率调制方式使用一个二进二出的MZM，使MZM的输入端口与微环谐振器的输出端进行耦合，并使分束调制信号为两路，分别进入微环输入
端进行加和操作与输出以供观测与数据接收。
[0022]进一步地，在步骤S202中，将耦合矩阵J
′
ij
中的耦合数据进行归一化处理。
[0023]进一步地，耦合率被调制为三角函数形式：其中Δl
m
为调制的光程差，此时耦合矩阵向量w
i
与耦合率σ
i
之间的映射关系为：
[0024]w
i
＝κ
i
σ
i+1
*
…
*σ
n
[0025]其中n为向量长度，也是节点个数。
[0026]进一步地，在步骤S203中，节点耦合时，在微环谐振器中进行相干光幅值累加操作，调节MZM来使一个微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据求解任务的需要和伊辛计算系统的运行情况，在伊辛计算系统设定需要的参数；S2、伊辛计算系统设置了MZM和微环谐振器，MZM和微环谐振器级联形成电光调制环路，MZM用于动态调节微环谐振器耦合率；将从伊辛计算系统的光学回路中提取的信号作为节点信号，通过电光调制环路将节点信号时分复用，在光域中实现节点耦合，让节点信号进行更新，完成伊辛计算系统的迭代，并将更新后的节点信号重新输入伊辛计算系统，使得伊辛计算系统不断完成新的迭代；S3、从光学伊辛机系统的光学回路中输出求解任务的运算结果，把伊辛哈密顿量映射到光学伊辛机系统中。2.根据权利要求1所述的基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法，其特征在于，在步骤S1中，设定的参数包括增益系数α、耦合矩阵J
ij
和耦合系数β。3.根据权利要求2所述的基于电光调制环路的伊辛计算系统优化方法，其特征在于，步骤S2包括：S201、信号输入：将从伊辛计算系统的光学回路中提取的信号输入到MZM中，通过光强度调制转换为时分复用的节点信号；S202、耦合矩阵到微环耦合率的映射：伊辛计算系统设置运算单元，运算单元由微环谐振器构成，在运算单元内，将增益系数α，耦合系数β与耦合矩阵J
ij
整合为一个统一的耦合矩阵将伊辛计算系统的每个迭代过程简化为一个矩阵与向量的乘加运算，随后将该耦合矩阵J
i
′
j
映射为使用MZM调节的随时间变化的耦合率σ
k
(t)；S203、节点耦合：对于每个节点，由MZM输入时分复用的节点信号后，分别调制其他各个节点对其在步骤S202中得到的耦合矩阵J
i
′
j
对应的耦合率σ
k
(t)，最后时刻输出的光强值即为该节点在下一个时刻的状态；在分别更新每个节点以后，即可完成一次完整的迭代过程，其迭代公式如下所示：其中N为节点总数；S204、信号接收：更新完一个节点的状态以后，使用PD接收此时微环谐振器的输出并将其转化为电信号储存进入缓存，随后使用清零信号将微环谐振器中信号置零，继续更新完所有节点状态，然后将缓存中的所有信号按照接收时的时序依次输出，作为下一次迭代时输入的节点信号。4.根据权利要求3所述的基于电光调制环路的伊辛计...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洁，邓兆昂，李振华，陈子豪，余思远，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：