CN106126187B - 一种基于正交伪随机相位编码的光场并行计算装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于正交伪随机相位编码的光场并行计算装置及方法，其特征为一束相干光经过分束器分成若干个相干光束，每一个相干光束被相位调制器调制上一个伪随机相位编码以示区分，经过哈德玛德型模式控制器，得到初始叠加态，叠加初态在由模式控制器、光开关、分束器、合束器等构成的门阵列得到最终叠加态，通过一种基于轮询机制的相干检测方法，得到表示的状态；这种方法采用光场两个正交模式(偏振模式或者横向模式)当作0和1的编码，在计算中保持场的叠加性，利用伪随机相位编码区分不同的光场实现不同的计算位，能够得到和量子计算相类似的并行计算功能。

Description

一种基于正交伪随机相位编码的光场并行计算装置及方法

技术领域

本发明涉及一种并行计算装置，尤其涉及一种基于正交伪随机相位编码的光场并行计算装置及方法。

背景介绍

量子计算是计算机技术发展的未来，随着集成电路晶体管尺度的减小，量子效应将不可避免，离散的量子状态与计算机0和1的表示天然一致，因此发展量子计算将是计算机技术发展到今天的必然选择。随着量子计算的研究，发现量子计算具有经典计算无可比拟的巨大优势，量子计算是一种全新的并行计算技术，由于量子体系具有经典体系所不具备的叠加态和张量积结构的存在，使得量子计算机能够指数加速传统经典计算机难以处理的许多NP问题，如大数因式分解、无序数据库搜索等。例如采用传统计算机需要数亿年才能破解的RSA加密算法，在量子计算机中利用Shar算法只需要短短数秒即可完成。这些成果大大震撼了整个学术界和产业界，大大促进了量子计算技术的研究。

量子计算机需要依靠量子态的相干叠加性质来实现，但是这种相干叠加性质非常任意收到外界的影响导致退相干，这种退相干效应会导致量子计算的完全失效，因此到目前为止，尚没有可以实用化的方案来实现量子计算。近年来，利用光场实现量子态的模拟得到了重视，一方面由于光场的相干叠加性质和量子相干叠加性质非常接近，虽然物理解释上不一致；另一方面光场的相干叠加性质不容易受到外界干扰退相干。已经形成共识的是，光场对于单量子波函数的模拟完全没有问题，完全一致的Hilbert空间数学结构，以及场强分布和粒子几率分布的相似性。但是，对于多粒子体系的量子纠缠效应，光场的模拟仍然存在这争议。许多研究认为通过对光场增加一个自由度可以实现对量子纠缠的模拟，甚至将这种模拟称之为经典纠缠(A.Aiello et al.,New J.Phys.17,043024(2015)；F.Toppel etal.,New J.Phys.16,073019(2014)；A.Luis,Opt.Commun.282,3665(2009))。

本发明利用伪随机相位编码的正交性，在每个光场上调制一个伪随机相位编码实现对不同光场的区分，这样来模拟多个量子粒子。正交伪随机编码已经广泛应用到无线和有线通信领域实现对不同用户的区分，例如在码分多址(CDMA)技术中就是利用编码的正交性实现多用户的同时通信。这种正交伪随机相位编码(例如m-序列或者M-序列)不仅在能够区分不同的光场，而且带来和量子测量相似的随机性，从而可以在其中引入类似于量子系综的概念。在这一系综概念下，可以得到和量子纠缠完全类似的非定域相关性质(J.Fu andX.Wu,ScienceOpen Research 2015(DOI:10.14293/S2199-1006.1.SORPHYS.ANVYQZ.v1).)。基于这些研究，本发明提出一种新的实现类似量子计算的光场并行计算装置，实现对传统经典计算机难以处理的许多NP问题的加速。

发明内容

本发明的目的在于针对现有量子计算技术难以实现的困难，结合正交伪随机相位序列和光场模式相干叠加的性质，提供一种光场并行计算装置及方法，以实现类似于量子计算的功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于正交伪随机相位编码的光场并行计算装置，它包括：分束器、相位调制器、哈德玛德型模式变换器、变换门阵列和正交编码相干检测器；待计算的一束相干光场经过分束器分成若干个束相干光场，每一束相干光场被相位调制器调制后，获得一个正交伪随机相位编码以示区分，以相干光场的两个正交模式编码为计算机的0和1，这些光场经过哈德玛德型模式变换器，得到初始叠加态；初始叠加态经过模式变换门阵列操作后得到最终叠加态；然后最终叠加态通过正交编码相干检测器进行检测，得到最终叠加态的模式状态矩阵，最后通过一种基于序列遍历机制读出方法得到这些场表示的计算结果。

一种基于正交伪随机相位编码的光场并行计算方法，包括以下步骤：

(1)初始叠加态的产生：一束相干光场经过分束器分成若干个束相干光场，每一束相干光场被相位调制器调制上一个正交伪随机相位编码，以示区分，以相干光场的两个正交模式编码为计算机的|0>和|1>，这些光场经过哈德玛德型模式变换器，得到初始叠加态；

(2)门阵列实现模式变换：初始叠加态输入到模式变换门阵列，初始叠加态中的每个光场经过变换后，变成最终叠加态如下：

ψ_n为第n个场，|>表示相干光场正交模式；n表示叠加态序数，N为最大随机序列数；i,j＝1,2,3，……N，和是经典场的模式叠加系数；为相位，λ⁽ⁱ⁾为第i个正交随机编码序列。

(3)正交编码相干检测：将最终叠加态中的光场逐一进行正交编码相干检测，得到模式状态矩阵:

(4)序列遍历读出得到结果：为了读出最后的计算结果，需要基于序列遍历机制得到模式矩阵所表示的叠加态，首先定义一种基于序列轮询的简单序列遍历机制如下：

R₁＝{λ⁽¹⁾,λ⁽²⁾,…λ⁽ⁿ⁾},R₂＝{λ⁽²⁾,λ⁽³⁾,…λ⁽ⁿ⁾,λ⁽¹⁾},…R_n＝{λ⁽ⁿ⁾,λ⁽¹⁾,…λ^(n-1)}

利用序列的这种排列次序，可以从模式状态矩阵得到每个光场展示出的叠加状态：

进一步地，所述的正交伪随机相位编码，是指一种通过线性或非线性反馈移位寄存器方法产生的一组具有正交性、封闭性、平衡性的伪随机编码，经过相位调制器调制到光场的相位上。伪随机编码产生的方法如下：

(1)选择一个伽罗华域GF(p)的s阶本源多项式，利用反馈移位寄存器(LFSR/nLFSR)方法产生一个长度为p^s-1的基本序列；

(2)通过基本序列的循环移位得到其他序列；所述循环移位方法为：

如下所示：以p^s＝2³为例，

R₁＝{1，1，1，0，0，1，0}；

R₂＝{1，1，0，0，1，0，1}；

R₃＝{1，0，0，1，0，1，1}；

R₄＝{0，0，1，0，1，1，1}；

R₅＝{0，1，0，1，1，1，0}

R₆＝{1，0，1，1，1，0，0}

R₇＝{0，1，1，1，0，0，1}。

(3)在每个序列的最后增加一个0元素，使序列所有取值个数相等，满足均衡性，得到序列元素；

(4)将序列元素的值映射到相干光场，映射方式为：0→0，1→π/p，2→2π/p，…，p-1→(p-1)π/p。

进一步地，所述的哈德玛德型模式变换器，是指一种将光场由|0>或|1>的模式变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的变换器。

进一步地，所述的初始叠加态，是指多个处于模式叠加态的光场形成的直积态，可以表述为： 表示卷积。

进一步地，所述的正交编码相干检测器，是对待测光场(最终叠加态)与调制有正交伪随机相位编码的参考光场的相同正交模式进行相干探测，从而判断待测光场和参考光场之间编码的一致性，一致则输出1，不一致则输出0，形成模式状态矩阵(8)。矩阵中的每行表示每个光场，每列表示每个正交伪随机相位编码，而每个矩阵单元包含两个分量，分别表示两个正交模式的存在状态(一致或不一致)。

本发明的有益效果是，利用正交伪随机编码对光场的相位调制实现了对多粒子量子系统的模拟，利用光场的相干叠加性质以及正交伪随机编码的正交性、封闭性、平衡性能够实现量子纠缠态的模拟，从而能够模拟整个量子计算过程，这种并行计算方法不仅具有量子计算的加速优势，而且更加易于实现，利用现有技术就能实现大规模的并行计算，与此同时有可能实现比量子计算更大的计算能力。

附图说明

图1是基于正交伪随机相位编码的光场并行计算装置原理示意图；

图2是光分路器的原理示意图；

图3是伪随机编码相位调制过程的原理示意图；

图4是伪随机编码相位编码GF(2)的3阶m-序列的一个示例；

图5是哈德玛德型模式变换器原理示意图；

图6是模式变换门阵列实现模式变换的原理示意图；

图7是(a)光场合束器(b)光场分束器的原理示意图；

图8是四种模式控制门的原理示意图；

图9是利用模式变换门阵列实现光场模拟三粒子GHZ态的原理示意图；

图10是单模光场正交编码相干检测器的原理示意图；

图11是双模光场正交编码相干检测器的原理示意图；

图12是利用模式变换门阵列实现光场模拟量子Shar算法分解15＝3×5的原理示意图；

图13是光场模拟量子Shar算法分解15＝3×5的模式状态矩阵；

图中：相干光场1、分束器2、多束相干光场3、相位调制器4、哈德玛德型模式变换器5、模式变换门阵列6、正交编码相干检测器7、模式状态矩阵8。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明。

如图1所示，一种基于正交伪随机相位编码的光场并行计算装置，它包括：分束器2、相位调制器4、哈德玛德型模式变换器5、变换门阵列6和正交编码相干检测器7；待计算的一束相干光场1经过分束器2分成若干个束相干光场3，每一束相干光场被相位调制器4调制后，获得一个正交伪随机相位编码以示区分，以相干光场的两个正交模式编码为计算机的0和1，这些光场经过哈德玛德型模式变换器5，得到初始叠加态；初始叠加态经过模式变换门阵列6操作后得到最终叠加态；然后最终叠加态通过正交编码相干检测器7进行检测，得到最终叠加态的模式状态矩阵8，最后通过一种基于序列遍历机制读出方法得到这些场表示的计算结果。

如图2所示，本发明的分束器2实现能量均分为任意多份可以是光纤或波导型也可以是半透半反镜等分立器件。

如图3所示，本发明的相位调制器4可以是铌酸锂或半导体材料制成的器件，实现光场相位调制；相位调制器4的调制电压受到伪随机码产生器(PNG)的控制，从而对光场实现正交伪随机编码的相位调制。调制方法如下：

(1)选择一个伽罗华域GF(p)的s阶本源多项式，利用反馈移位寄存器(LFSR/nLFSR)方法产生一个长度为p^s-1的基本序列；

(2)通过基本序列的循环移位得到其他序列；所述循环移位方法如下所示：

R₁＝{λ⁽¹⁾，λ⁽²⁾，……，λ⁽ⁿ⁾}；

R₂＝{λ⁽²⁾，λ⁽³⁾，……，λ⁽¹⁾}；

……

R_n＝{λ⁽ⁿ⁾，λ⁽¹⁾，……，λ^(n-1)}。

(3)在每个序列的最后增加一个0元素，使序列所有取值个数相等，满足均衡性，得到序列元素；

(4)将序列元素的值映射到相干光场，映射方式为：0→0，1→π/p，2→2π/p，…，p-1→(p-1)π/p。

如图4为伪随机编码相位编码GF(2)的3阶m-序列的一个示例，除了全零序列λ⁽⁰⁾＝0外，其他的序列如图所示。

如图5所示，一种哈德玛德型模式变换器(H)，可以由马赫-曾德尔型干涉仪实现，能够将光场由|0>或|1>的模式变换成相干叠加模式(|0>±|1>)。，即得到初始叠加态，所述的初始叠加态，是指多个处于模式叠加态的光场形成的直积态，可以表述为： 表示卷积。

如图6所示，一种变换门阵列(GA)使每个光场由初始叠加态变换到最终叠加态的原理示意图。初始叠加态中的每个光场经过变换后，变成最终叠加态如下：

ψ_n为第n个场，|>表示相干光场正交模式；n表示叠加态序数，N为最大随机序列数；i,j＝1,2,3，……N，和是经典场的模式叠加系数；为相位，λ⁽ⁱ⁾为第i个正交随机编码序列。

如图7所示，变换门阵列(GA)所需的两种基本控制门：(a)光场合束器(b)光场分束器，这里所示的光场分束器是图2所示分束器的一种特例：一束光进入器件后分为能量均分的两束光；光场合束器是光场分束器的反向应用，将两束光合成一束光，两种器件的实现方法和原理可以完全一致。

如图8所示，变换门阵列(GA)所需的其余四种模式控制门，这些控制门是可以由偏振片、光开关、模式分束器构成，分别是：控制门A(Gate A)是一种将所有光模式全部关闭的光开关；控制门B(GateB)是一种通过光场模式|0>而关闭光场模式|1>的模式选择型光开关；控制门C(GateC)是一种通过光场模式|1>而关闭光场模式|0>的模式选择型光开关；控制门D(GateD)是一种全部通过光场所有模式的光开关。

如图9所示，变换门阵列(GA)实现光场模拟三粒子GHZ态的原理示意图，GHZ态是一种三粒子最大量子纠缠态，能够实现量子纠缠等式判据，是一种非常重要的量子纠缠态，本发明采用模式变换门阵列能够实现对这个态的模拟。

如图10所示，一种单模光场正交编码相干检测器(DE)，待测光场和参考光场之间进行相位相干检测，参考光场也调制有某个正交伪随机相位编码，这里要求参考光场与待测光场具有相同的正交模式，都是模式|0>或模式|1>；当参考光场与待测光场经过半透半反镜后进行干涉，输出到光电探测器，然后将探测到的信号进行正交编码相关检测，从而判断待测光场和参考光场之间伪随机相位编码是否一致性，一致则输出1，不一致则输出0。

如图11所示，一种双模光场正交编码相干检测器(DE)，实质上是两个单模光场正交编码相干检测器，分别对待测光场的两个正交模式分别进行正交伪随机编码检测，首先利用模式分离器(MS)将待测光场的模式进行分离，然后选择相同模式的两个参考光束分别进行正交编码相干检测，这样可以分别得到待测光场的模式|0>和模式|1>的伪随机相位编码的一致性，分别输出到中。然后利用这个检测器对每个光场都进行这样的检测，就形成模式状态矩阵(M)。因此，输出的模式状态矩阵为：

如图12所示，利用模式变换门阵列(GA)实现光场模拟量子Shar算法分解15＝3×5的原理示意图，量子Shar算法是体现量子并行计算优势最重要的算法，本发明利用模式变换门阵列(GA)实现了对量子Shar算法的模拟，初始叠加态经过模式变换门阵列后得到最终叠加态：

如图13所示，图示11中的最终叠加态通过光场正交编码相干检测器的探测，得到模式状态矩阵。最后利用本发明提供的序列轮询方法，得到其最后的叠加态为：

|Ψ>＝(|0>+|4>+|8>+|12>)|1>

+(|1>+|5>+|9>+|13>)|7>

+(|2>+|6>+|10>+|14>)|4>

+(|3>+|7>+|11>+|15>)|13>

由此得到了和量子计算相类似的结果。

Claims (5)

1.一种基于正交伪随机相位编码的光场并行计算装置，其特征在于，它包括：分束器(2)、相位调制器(4)、哈德玛德型模式变换器(5)、变换门阵列(6)和正交编码相干检测器(7)；

待计算的一束相干光场(1)经过分束器(2)分成若干个束相干光场(3)，每一束相干光场被相位调制器(4)调制后，获得一个正交伪随机相位编码以示区分，以相干光场的两个正交模式编码为计算机的0和1，这些光场经过哈德玛德型模式变换器(5)，得到初始叠加态；初始叠加态经过模式变换门阵列(6)操作后得到最终叠加态；然后最终叠加态通过正交编码相干检测器(7)进行检测，得到最终叠加态的模式状态矩阵(8)，最后通过一种基于序列遍历机制读出方法得到这些场表示的计算结果；该装置通过以下步骤进行计算：

(1)初始叠加态的产生：一束相干光场(1)经过分束器(2)分成若干个束相干光场(3)，每一束相干光场被相位调制器调制上一个正交伪随机相位编码，以示区分，以相干光场的两个正交模式编码为计算机的|0>和|1>，这些光场经过哈德玛德型模式变换器，得到初始叠加态；

(2)门阵列实现模式变换：初始叠加态输入到模式变换门阵列(6)，初始叠加态中的每个光场经过变换后，变成最终叠加态如下：

ψ_n为第n个场，| >表示相干光场正交模式；n表示叠加态序数，N为最大随机序列数；i，j＝1，2，3，……N，和分别是经典场的模式|0>和|1>的叠加系数；为相位，λ⁽ⁱ⁾为第i个正交随机编码序列；

(3)正交编码相干检测：将最终叠加态中的光场逐一进行正交编码相干检测，得到模式状态矩阵：

(4)序列遍历读出得到结果：为了读出最后的计算结果，需要基于序列遍历机制得到模式矩阵所表示的叠加态，首先定义一种基于序列轮询的简单序列遍历机制如下：

R₁＝{λ⁽¹⁾，λ⁽²⁾，...λ⁽ⁿ⁾}，R₂＝{λ⁽²⁾，λ⁽³⁾，...λ⁽ⁿ⁾，λ⁽¹⁾}，...R_n＝{λ⁽ⁿ⁾，λ⁽¹⁾，...λ^(n-1)}

利用序列的这种排列次序，可以从模式状态矩阵得到每个光场展示出的叠加状态：

表示卷积。

2.根据权利要求1所述的光场并行计算装置，其特征在于，所述的正交伪随机相位编码，是指一种通过线性或非线性反馈移位寄存器方法产生的一组具有正交性、封闭性、平衡性的伪随机编码，经过相位调制器调制到光场的相位上；伪随机编码产生的方法如下：

(1)选择一个伽罗华域GF(p)的s阶本源多项式，利用反馈移位寄存器方法产生一个长度为p^s-1的基本序列；

(2)通过基本序列的循环移位得到其他序列；所述循环移位方法为：

如下所示：以p^s＝2³为例，

R₁＝{1，1，1，0，0，1，0}；

R₂＝{1，1，0，0，1，0，1}；

R₃＝{1，0，0，1，0，1，1}；

R₄＝{0，0，1，0，1，1，1}；

R₅＝{0，1，0，1，1，1，0}；

R₆＝{1，0，1，1，1，0，0}；

R₇＝{0，1，1，1，0，0，1}；

(3)在每个序列的最后增加一个0元素，使序列所有取值个数相等，满足均衡性，得到序列元素；

(4)将序列元素的值映射到相干光场，映射方式为：0→0，1→π/p，2→2π/p，...，p-1→(p-1)π/p。

3.根据权利要求1所述的光场并行计算装置，其特征在于，所述的哈德玛德型模式变换器，是指一种将光场由|0>或|1>的模式变换成相干叠加模式的变换器。

4.根据权利要求1所述的光场并行计算装置，其特征在于，所述的初始叠加态，是指多个处于模式叠加态的光场形成的直积态，表述为： 表示卷积。

5.根据权利要求1所述的光场并行计算装置，其特征在于，所述的正交编码相干检测器，是对待测光场与调制有正交伪随机相位编码的参考光场的相同正交模式进行相干探测，从而判断待测光场和参考光场之间编码的一致性，一致则输出1，不一致则输出0，形成模式状态矩阵(8)；矩阵中的每行表示每个光场，每列表示每个正交伪随机相位编码，而每个矩阵单元包含两个分量，分别表示两个正交模式的存在状态，所述状态为一致或不一致。