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1.2 相干光量子计算机

相干光量子计算机/相干伊辛机(CIM)

玻色量子自主研发的相干光量子计算机,也叫相干伊辛机(Coherent Ising Machine,简称CIM)提供了一种创新的解决方案,通过将组合优化问题转换为伊辛模型(Ising Model),并映射到简并光参量振荡器(Degenerate Optical Parametric Oscillator, DOPO) 构建的人工自旋网络上,实现了在室温环境下的高效量子计算。系统通过寻找网络的“基态”,即最强的集体振荡模式,来求解优化问题。这种方法不仅克服了传统量子计算的技术壁垒,还为解决各类NP-hard问题提供了可行路径。

技术路线

玻色量子研发的相干光量子计算机通过创新的技术路径和云服务模式,为解决量子计算面临的挑战提供了全新方案:

技术特点主要优势
技术创新● 基于光学参量振荡的量子计算范式
● 室温环境下稳定运行,无需复杂制冷系统
● 自然并行的光学网络架构,支持大规模优化
云服务架构● 标准化 REST API 接口
● 简洁的界面化任务提交流程
● 灵活的计算模式选择(Task/Shot)
应用支持● 完整的 SDK 开发套件
● 丰富的示例程序和应用模板接口
● 专业的技术支持服务

目前相干光量子计算机支持550量子比特,计算时间在毫秒级之间。如需更高量子比特计算支持,可联系玻色量子官方人员。

CIM物理原理

相干光量子计算机核心原理建立在问题映射、物理实现和求解过程三个关键环节之上。其硬件系统主要由基于光纤环路的简并光学参量振荡器(DOPO)的网络构建组成,该系统通过模拟物理系统的自发演化机制,实现复杂组合优化问题的高效求解。其理论基础源自伊辛模型,该模型描述了自旋系统中相邻粒子的相互作用规律,可将组合优化问题转化为求解系统基态的过程。

下文将对上述定义及CIM的物理原理进行详细的解释。

图1 CIM物理原理图

上图展示了相干伊辛机(CIM)的物理原理架构图,通过控制光脉冲的强度和相位,CIM可获得比传统计算机更强大的计算能力。

首先,脉冲激光器通过耦合器被调制成两束脉冲序列,其中一束作为本地振荡光(Lo),用于后续探测输出光的相位信息;另一束则作为泵浦脉冲(Pump Pulse),作为系统的“能量源”为系统持续提供能量。光脉冲通过二次谐波产生(SHG)过程,将光的频率加倍,生成更高能量的光;接着这些光经过周期性极化铌酸锂波导模块(PPLN waveguide),将频率再次降倍调整,使光脉冲的相位产生随机性;同时,通过简并光学参量放大效应(DOPA)对光子进行积累,光脉冲被调制成若干具有随机相位的信号脉冲(Signal pulses#2、#1)

接下来,光信号分为两部分:一部分进入环形腔(Ring Cavity,包含PPLN、耦合器、光纤),另一部分通过输出耦合器(Outlet Coupler)导出,与参考光(Lo)一起输入到BHD平衡零差探测器(Balanced Homodyne Detector)中,将光脉冲的相位转换为电脉冲的幅度,电脉冲再通过模数转换器(ADC)转换为数字信号进入FPGA(现场可编程门阵列)。FPGA就像计算机的“大脑”,负责协调整个系统的运行,将每个电信号脉冲的峰值组成一组列向量,和Jij矩阵(由实际求解问题定义)相乘得到另一组列向量,新的列向量通过数模转换器(DAC)被调制为电脉冲信号的峰值幅度。这个信号通过光强度调制器(IM)和相位调制(PM),被调制到另一束参考光上,最终通过合束器(Injection coupler)与环形腔中的光信号发生干涉、相消或者相长。这一过程被称为光学参量振荡过程(DOPO),其中IM用于调整光信号的强度,PM则用于调整光信号的相位。

在光学参量振荡过程中,信号脉冲(Signal Pulses)的相位代表Ising模型中每个原子自旋的方向。当上述过程持续循环时,起初由于系统能量很低,大多数光脉冲会在干涉相消的过程中回到低光子数的状态,收到量子噪音的影响相位发生翻转。随着泵浦脉冲持续注入,系统能量会持续增加,当系统能量增加到某个阈值时,所有的光脉冲不再干涉相消翻转相位,即出现自发对称性破缺(Spontaneous Symmetry Breaking,一种量子现象,指的是系统在没有任何外部干扰的情况下,自发地从对称状态转变为非对称状态,从而从多个可能解中选择一个最优解)现象。此时每个光脉冲对应的相位配置,就对应原Ising问题(由Jij矩阵定义)最优解。这些光脉冲的相位,会由FPGA最终读出,传递回上位机(Kaiwu SDK的服务端)。这种能量由低到高的寻找最优解过程,比传统模拟退火算法(SA)和量子退火算法,都能更快地获得最优解。

图2 自发对称性破缺现象示意图

在后文的【高级阶段-优秀论文库】里也为大家推荐了CIM原理&应用相关优秀论文,欢迎大家参考引用。

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