CN114696904B - 微波光子伊辛机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微波光子伊辛机，包括：首尾依次连接的相位及电光转换模块与存储关联及光电转换模块构成的闭合回路；激光光源，用于产生光信号并输入相位及电光转换模块；微波脉冲本振源，用于产生微波脉冲信号并输入相位及电光转换模块；其中，相位及电光转换模块用于将微波脉冲信号、光信号及存储关联及光电转换模块输入的相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号进行调制，得到相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，并输入存储关联及光电转换模块继续进行存储和关联；其中，相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号对应微波光子伊辛机的最小增益状态。本发明的微波光子伊辛机，可以实现大规模、可编程连接和高相干性的统一。

Description

微波光子伊辛机
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种微波光子伊辛机。
背景技术
组合优化问题广泛存在于现代社会的各个角落，如交通规划、电路输送、药物研发、金融投资、电路设计和人工智能等领域。许多组合优化问题都属于非确定性多项式(NP)困难问题或者NP-完全问题，随着变量数目的增加，可能的组合数目会随之以指数型的速率或阶乘型的速率增加。因此，传统的冯诺依曼架构的计算机在求解这些问题时会遇到困难，在求解时需要一步一步的进行串行运算，计算的速度慢。同时，随着工业生产的大规模化和社会网络结构的复杂化，在生产生活中所面临的组合优化问题也日趋复杂，亟需对大规模的组合优化问题进行高效求解。
近年来，研究人员提出了基于量子超导电路和光参量振荡器等不同物理实体的伊辛机，以期实现高效的组合优化问题的求解。其中，基于量子超导电路的伊辛机以人造原子作为伊辛自旋的载体，利用量子遂穿效应实现量子退火并最终获得系统的低能态，其代表为加拿大Dwave公司推出的量子伊辛机。然而，超导电路中的量子特性相当脆弱，在大规模的超导电路中难以实现长时间的相干性。此外，各个伊辛自旋在空间上均是局域的，无法直接实现任意自旋之间的连接。
基于光参量振荡器的伊辛机以光脉冲作为伊辛自旋的载体，将组合优化问题映射到光参量振荡器的增益和损耗特性上，振荡器的最小增益则对应着组合优化问题的最优解。基于光参量振荡器的伊辛机可实现大规模和可编程连接，然而由于作为自旋载体的光脉冲波长较短，易受温度、震动等环境变化的扰动，在大规模的光参量振荡器中也难以实现长时间的相干性。因此，基于量子超导电路和光参量振荡器等物理实体的伊辛机难以实现大规模、可编程连接和高相干性的统一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提供一种微波光子伊辛机，用于至少部分解决以上技术问题。
(二)技术方案
本发明提供一种微波光子伊辛机，包括：首尾依次连接的相位及电光转换模块A与存储关联及光电转换模块B构成的闭合回路；激光光源1，用于产生光信号并输入相位及电光转换模块A；微波脉冲本振源12，用于产生微波脉冲信号并输入相位及电光转换模块A；其中，相位及电光转换模块A用于将微波脉冲信号、光信号及存储关联及光电转换模块B输入的相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号进行调制，得到相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，并输入存储关联及光电转换模块B继续进行存储和关联；其中，相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号对应微波光子伊辛机的最小增益状态。
可选地，相位及电光转换模块A包括调制器3和非线性介质10，存储关联及光电转换模块B包括光纤4，信号关联装置C和光电探测器8，信号关联装置C包括分束装置5，自旋连接模块6和合束装置7，分束装置5的一路输出连接自旋连接模块6的输入，另一路输出连接合束装置7的输入，自旋连接模块6的输出也连接合束装置7的输入；非线性介质10用于将微波脉冲信号转换为相位随机的二相位微波脉冲自旋信号，调制器3用于将相位随机的二相位微波脉冲自旋信号和光信号调制成相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，光纤4用于存储相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，其中：自旋连接模块6用于将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，光电探测器8用于将合束装置7输出的相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转换为相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，并输出到非线性介质10，构成闭合的回路，光纤4与信号关联装置C的位置可以互换；或者，光电探测器8用于将相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，自旋连接模块6用于将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，合束装置7用于输出相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号到非线性介质10，构成闭合的回路。
可选地，相位及电光转换模块A包括调制器3和非线性介质10，存储关联及光电转换模块B包括光纤4，信号关联装置C和光电探测器8，信号关联装置C包括分束装置5，自旋连接模块6和合束装置7，分束装置5的一路输出连接自旋连接模块6的输入，另一路输出连接合束装置7的输入，自旋连接模块6的输出也连接合束装置7的输入；调制器3用于将微波脉冲信号和光信号调制成微波脉冲光信号，非线性介质10用于将微波脉冲光信号转换为相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，光纤4用于存储相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，其中：自旋连接模块6用于将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，光电探测器8用于将合束装置7输出的相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转换为相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，并输出到调制器3，构成闭合的回路，光纤4与信号关联装置C的位置可以互换；或者，光电探测器8用于将相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，自旋连接模块6用于将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，合束装置7用于输出相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号到调制器3，构成闭合的回路。
可选地，光纤4的损耗小于等于0.2dB/km。
可选地，二相位为0或者π。
可选地，自旋连接模块6为可编程网络，包括一路或至少两路的延时线网络或者包括反馈关联网络，可编程网络用于对相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号或相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行可编程关联。
可选地，激光光源1和光电探测器8之间通过光信号的部分为光路，光路还包括一个或至少两个光放大器，用于促进起振；光电探测器8和调制器3之间通过电信号的部分为电路，电路还包括一个或至少两个电放大器9和一个或至少两个电滤波器11，其中，电滤波器11用于对电信号进行滤波；电放大器9和电滤波器11在电路中的位置可以互换。
可选地，分束装置5包括分束器和波分解复用器，合束装置7包括合束器和波分复用器。
可选地，激光光源1和微波脉冲本振源12可以同时分别替换为激光脉冲光源1’和微波本振源12’；或者，将微波脉冲本振源12替换为微波本振源12’，同时在微波光子伊辛机中加入脉冲整形装置2；或者，将激光光源1替换为激光脉冲光源1’，但需增加同步装置，使激光脉冲光源1’和微波脉冲本振源12的脉冲同步。
本发明另外提供一种求解组合优化问题的方法，包括：通过激光光源1产生光信号，光信号经过相位及电光转换模块A输入到存储关联及光电转换模块B，光信号被转换成电信号并输入到相位及电光转换模块A，引起闭合回路的振荡；通过微波脉冲本振源12产生微波脉冲信号，相位及电光转换模块A将微波脉冲信号，光信号及电信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，其中：利用存储关联及光电转换模块B存储和关联相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，再将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转化为相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号；或者，将相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号先转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，再将相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号关联产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号；将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号输出到相位及电光转换模块A构成闭合的微波光子回路，其中，逐渐增加微波光子回路的增益，使相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号或相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号达到特定分布，对应微波光子回路的最小增益状态，最小增益对应组合优化问题的最优解。
(三)有益效果
本发明提供一种微波光子伊辛机，相对于现有技术具有如下优点：
1、本发明的微波光子伊辛机的伊辛自旋的载体为微波光子回路产生的二相位微波脉冲自旋信号，由于微波脉冲的波长远大于光脉冲的波长，可实现高相干性的伊辛网络；
2、本发明的微波光子伊辛机借助低损耗的光纤，可存储相位及电光转换模块产生的大量自旋，从而实现大规模的伊辛网络。
3、本发明的微波光子伊辛机借助关联及光电转换模块，可根据实际组合优化问题的要求，对微波光子伊辛机内的伊辛自旋进行任意可编程连接。
附图说明
图1A-图1H示意性示出了本发明实施例的微波光子伊辛机的结构图；
图2示意性示出了本发明实施例的各个伊辛自旋无连接时的微波脉冲的相位统计结果图；
图3示意性示出了本发明实施例的一维伊辛模型图；
图4示意性示出了本发明实施例的一维伊辛模型的自旋相位和伊辛能量的演化图；
图5示意性示出了本发明实施例的二维伊辛模型图；
图6示意性示出了本发明实施例的二维伊辛模型的自旋相位和伊辛能量的演化图；
图7A-图7B示意性示出了本发明实施例的一种求解组合优化问题的方法流程图；
图8示意性示出了本发明实施例的微波光子伊辛机的工作原理图。
【附图标记说明】
1-激光光源
2-脉冲整形装置
3-调制器
4-光纤
5-分束装置
6-自旋连接模块
7-合束装置
8-光电探测器
9-电放大器
10-非线性介质
11-电滤波器
12-微波脉冲本振源
12’-微波本振源
A-相位及电光转换模块
B-存储关联及光电转换模块
C-信号关联装置
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
除非存在技术障碍或矛盾，本发明的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本发明的保护范围中。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本发明的限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
图1A-图1H示意性示出了本发明实施例的微波光子伊辛机的结构图，如图1A所示，本发明实施例的微波光子伊辛机例如包括：首尾依次连接的相位及电光转换模块A与存储关联及光电转换模块B构成的闭合回路。根据本发明的实施例，激光光源1的输出连接相位及电光转换模块A的输入，微波脉冲本振源12的输出也连接相位及电光转换模块A的输入，相位及电光转换模块A的输出连接存储关联及光电转换模块B的输入，存储关联及光电转换模块B的输出连接相位及电光转换模块A的输入。
根据本发明的实施例，激光光源1，用于产生光信号并输入相位及电光转换模块A；微波脉冲本振源12，用于产生微波脉冲信号并输入相位及电光转换模块A；其中，相位及电光转换模块A用于将微波脉冲信号、光信号及存储关联及光电转换模块B输入的相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号进行调制，得到相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，并输入存储关联及光电转换模块B继续进行存储和关联；其中，相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号对应微波光子伊辛机的最小增益状态。
根据本发明的实施例，如图1A所示，相位及电光转换模块A例如包括调制器3和非线性介质10，存储关联及光电转换模块B例如包括光纤4，信号关联装置C和光电探测器8，信号关联装置C例如包括分束装置5，自旋连接模块6和合束装置7，分束装置5的一路输出连接自旋连接模块6的输入，另一路输出连接合束装置7的输入，自旋连接模块6的输出也连接合束装置7的输入。
在本发明的一些实施例中，如图1A所示，激光光源1的输出连接调制器3的输入，微波脉冲本振源12的输出连接非线性介质10的输入，非线性介质10的输出连接调制器3的输入，调制器3的输出连接光纤4的一端，光纤4的另一端连接分束装置5的输入，合束装置7的输出连接光电探测器8的输入，光电探测器8的输出连接非线性介质10的输入。
根据本发明的实施例，非线性介质10用于将微波脉冲本振源12产生的微波脉冲信号转换为相位随机的二相位微波脉冲自旋信号，调制器3用于将相位随机的二相位微波脉冲自旋信号和激光光源1产生的光信号调制成相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，光纤4用于存储相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，其中：
自旋连接模块6用于将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，对应微波光子伊辛机的最小增益状态，光电探测器8用于将合束装置7输出的相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转换为相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，并输出到非线性介质10，构成闭合的回路，进行下一周期循环。
如图1B所示，光纤4与信号关联装置C的位置可以互换，此时自旋连接模块6先将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，对应微波光子伊辛机的最小增益状态，然后，再将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号存储在光纤4中，进而将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号输出到光电探测器8。
或者，如图1C所示，光纤4的另一端连接光电探测器8的输入，光电探测器8的输出连接分束装置5的输入，合束装置7的输出连接非线性介质10的输入。
根据本发明的实施例，非线性介质10用于将微波脉冲本振源12产生的微波脉冲信号转换为相位随机的二相位微波脉冲自旋信号，调制器3用于将相位随机的二相位微波脉冲自旋信号和激光光源1产生的光信号调制成相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，光纤4用于存储相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，光电探测器8用于将相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，自旋连接模块6用于将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，对应微波光子伊辛机的最小增益状态，合束装置7用于输出相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号到非线性介质10，构成闭合的回路，进行下一周期循环。
根据本发明的实施例，非线性介质10为混频器等元件，用于提供参量频率转换过程，在微波本振的激励下实现振荡信号的参量频率转换。
在本发明的一些实施例中，如图1D所示，激光光源1的输出连接调制器3的输入，微波脉冲本振源12的输出连接调制器3的输入，调制器3的输出连接非线性介质10的输入，非线性介质10的输出连接光纤4的一端，光纤4的另一端连接分束装置5的输入，合束装置7的输出连接光电探测器8的输入，光电探测器8的输出连接调制器3的输入。
根据本发明的实施例，调制器3用于将微波脉冲本振源12产生的微波脉冲信号和激光光源1产生的光信号调制成微波脉冲光信号，非线性介质10用于将微波脉冲光信号转换为相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，光纤4用于存储相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，其中：
自旋连接模块6用于将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，对应微波光子伊辛机的最小增益状态，光电探测器8用于将合束装置7输出的相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转换为相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，并输出到调制器3，构成闭合的回路，进行下一周期循环。
如图1E所示，光纤4与信号关联装置C的位置可以互换，此时自旋连接模块6先将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，对应微波光子伊辛机的最小增益状态，然后，再将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号存储在光纤4中，进而将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号输出到光电探测器8。
或者，如图1F所示，光纤4的另一端连接光电探测器8的输入，光电探测器8的输出连接分束装置5的输入，合束装置7的输出连接调制器3的输入。
根据本发明的实施例，调制器3用于将微波脉冲本振源12产生的微波脉冲信号和激光光源1产生的光信号调制成微波脉冲光信号，非线性介质10用于将微波脉冲光信号转换为相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，光纤4用于存储相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，光电探测器8用于将相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，自旋连接模块6用于将输入自旋连接模块6中的任意两个相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，对应微波光子伊辛机的最小增益状态，合束装置7用于输出相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号到调制器3，构成闭合的回路，进行下一周期循环。
在本发明的一些实施例中，光纤4的损耗小于等于0.2dB/km。借助损耗低至0.2dB/km的光纤，微波光子伊辛机中可存储大量的二相位微波脉冲自旋，从而实现大规模的伊辛自旋。
在本发明的一些实施例中，二相位为0或者π。如图1G所示，激光光源1发出光信号，在光信号的激励下，由调制器3、光纤4、光电探测器8、非线性介质10、电滤波器11和微波脉冲本振源12一起构成的光电参量振荡器产生相位为0或者π的二相位微波脉冲自旋信号。微波脉冲自旋信号的相位信息作为伊辛自旋的载体，构成微波光子伊辛机。在自旋连接模块6的作用下，各个伊辛自旋可进行灵活连接，从而将实际组合优化问题映射到微波光子伊辛机的增益和损耗特性上。通过逐渐增加光电参量振荡器的增益，光电参量振荡器可工作在最小增益状态，此最小增益对应组合优化问题的最优解。
当光电参量振荡器工作在简并状态，即非线性介质10输入和输出信号的频率均等于微波脉冲本振源12产生的微波脉冲信号的频率的一半时，光电参量振荡器的振荡信号的相位可表示为：
其中，ωs为振荡信号的频率，τ为环腔延时，K为正整数。因此，振荡信号的相位有两个可能的取值。当微波脉冲本振源12输出微波脉冲信号时，光电参量振荡器也输出微波脉冲信号，此时各个微波脉冲信号的相位取值可表示为0或π，且每个微波脉冲信号的相位取0或π的概率一致，因此，光电参量振荡器产生的微波脉冲信号的相位为自由度为二值的物理实体，可作为伊辛自旋的载体，实现微波光子伊辛机。同时，由于微波脉冲信号的波长远大于光脉冲的波长，可实现高相干性的伊辛网络。
图2示意性示出了本发明实施例的各个伊辛自旋无连接时的微波脉冲的相位统计结果图，如图2所示，在统计时，微波脉冲信号向下变频到了基频，因此得到的时域波形幅度的正/负分别代表着0相位和π相位。可以看出，统计出的0相位和π相位频次基本一致，因此光电参量振荡器自由振荡时，产生随机的相位为0或者π的二相位微波脉冲信号，该二相位微波脉冲信号为自由度为二值的物理实体，可作为微波光子伊辛机的伊辛自旋的载体。
在本发明的一些实施例中，自旋连接模块6为可编程网络，包括一路或至少两路的延时线网络或者包括反馈关联网络，可编程网络用于对相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号或相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行可编程关联。分束装置5包括分束器和波分解复用器，合束装置7包括合束器和波分复用器。即，当分束装置5位于光路时，分束装置5可以为光分束器或者波分解复用器，当分束装置5位于电路时，分束装置5可以为分束器。当合束装置7位于光路时，合束装置7可以为光合束器或者波分复用器，当合束装置7位于电路时，合束装置7可以为合束器。
根据本发明的实施例，当信号关联装置C在光纤4和光电探测器8之间时，即信号关联装置C处于光路中时，分束装置5和合束装置7可以分别为光分束器和光合束器，分别用于对光信号进行分束和合束。从光分束器中分出的一路光信号进入自旋连接模块6，自旋连接模块6对进入其中的任意两个光信号进行关联，并输出特定分布的光信号到合束装置7，从光分束器中分出的另一路光信号直接进入合束装置7，合束装置7再将经自旋连接模块6关联后的特定分布的光信号输出到光电探测器8中。
图3示意性示出了本发明实施例的一维伊辛模型图，如图3所示，分束装置5和合束装置7的功能例如可以分别通过波分解复用器和波分复用器实现，且自旋连接模块6控制各个自旋的连接状态，配置为一路的延时线网络，通过提供一比特的延时，即延时等于两个相邻自旋的时间间隔，从而将各个自旋关联起来，构成一维伊辛模型。在此模型下，每一个自旋均和其前面一个自旋连接，且最后一个自旋和第一个自旋连接。在这种条件下，微波光子伊辛机的自旋相位和伊辛能量的演化如图4所示。可以看到，伊辛自旋在光电参量振荡器中传输约9000圈后，所有的自旋拥有共同的相位，系统的能量达到最低，对应基态，成功验证了微波光子伊辛机的可行性。
图5示意性示出了本发明实施例的二维伊辛模型图，如图5所示，此时自旋连接模块6配置为两路的延时线网络，分别提供一比特和一百比特的延时，从而将各个自旋关联起来，构成二维伊辛模型。相对于一维伊辛模型，此模型额外增加了一路一百比特的延时，从而将第i-1和第i-100个自旋和第i个自旋连接，构成二维方格形的关联网络。在这种条件下，微波光子伊辛机的自旋相位和伊辛能量的演化如图6所示。可以看到，由于自旋间的关联更加密切，伊辛自旋在光电参量振荡器中传输约1200圈后便可演化到基态，对应更快的组合优化问题求解时间。
根据本发明的实施例，借助FPGA等自旋连接模块，本发明的微波光子伊辛机可根据实际组合优化问题的要求，利用FPGA等自旋连接模块的可编程特性，对光电参量振荡器内的伊辛自旋进行任意可编程连接。
在本发明的一些实施例中，如图1G所示，激光光源1和光电探测器8之间通过光信号的部分为光路，光路还包括一个或至少两个光放大器，用于促进起振；光电探测器8和调制器3之间通过电信号的部分为电路，电路包括一个或至少两个电放大器9和一个或至少两个电滤波器11，其中，电滤波器11用于对电信号进行滤波；电放大器9和电滤波器11在电路中的位置可以互换。
在本发明的一些实施例中，激光光源1和微波脉冲本振源12可以同时分别替换为激光脉冲光源1’和微波本振源12’；或者，将激光光源1替换为激光脉冲光源1’，但需增加同步装置，使激光脉冲光源1’和微波脉冲本振源12的脉冲同步；或者，如图1H所示，将微波脉冲本振源12替换为微波本振源12’，同时在微波光子回路中加入脉冲整形装置2，其中，脉冲整形装置2可以位于微波光子回路中除信号关联装置C内部的任意位置。即激光光源和微波本振源只需要有一个具有提供脉冲信号的功能，或者在微波光子回路中加入脉冲整形装置2，用于提供脉冲信号，即可满足本发明的光电参量振荡器的工作需要，当激光光源和微波本振源均可以提供脉冲信号时，需要对这两种脉冲信号进行同步处理，以使光电参量振荡器正常工作。
综上所述，本发明实施例提出一种微波光子伊辛机。通过由激光光源1，调制器3、光纤4、光电探测器8、非线性介质10、电滤波器11和微波脉冲本振源12一起构成的光电参量振荡器，能够产生二相位微波脉冲伊辛自旋，光纤4具有低损耗特性，能够储存大量的二相位微波脉冲伊辛自旋，进而实现大规模的伊辛网络，通过自旋连接模块6，可根据实际组合优化问题的要求，对光电参量振荡器内相位随机分布的二相位微波脉冲伊辛自旋进行任意可编程连接，同时，由于微波脉冲本振源12产生的微波脉冲的波长远大于光脉冲的波长，可实现高相干性的伊辛网络，实现了本发明的微波光子伊辛机大规模、可编程连接和高相干性的统一。
为了满足对组合优化问题求解的需求，本发明实施例提出了一种微波光子伊辛机，实现大规模、可编程连接和高相干性统一的伊辛网络，来高效的求解组合优化问题。本发明实施例提出的一种微波光子伊辛机，其利用激光光源的激光产生特性、调制器的调制特性、光电探测器的光电转换特性、非线性介质的参量频率转换特性，以及光电参量振荡器的微波发生和从噪声开始的自激振荡性能，求解组合优化问题。
图7A-图7B示意性示出了本发明实施例的一种求解组合优化问题的方法流程图，如图7A所示，该方法包括：
S701，通过激光光源1产生光信号，光信号经过相位及电光转换模块A输入到存储关联及光电转换模块B，光信号被转换成电信号并输入到相位及电光转换模块A，引起闭合回路的振荡。
S702，通过微波脉冲本振源12产生微波脉冲信号，相位及电光转换模块A将微波脉冲信号，光信号及电信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号。
S703，利用存储关联及光电转换模块B存储和关联相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，再将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转化为相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号。
S704，将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号输出到相位及电光转换模块A构成闭合的微波光子回路。
或者，如图7B所示，该方法包括：
S701，通过激光光源1产生光信号，光信号经过相位及电光转换模块A输入到存储关联及光电转换模块B，光信号被转换成电信号并输入到相位及电光转换模块A，引起闭合回路的振荡。
S702，通过微波脉冲本振源12产生微波脉冲信号，相位及电光转换模块A将微波脉冲信号，光信号及电信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号。
S703，利用存储关联及光电转换模块B，将相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号存储并转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，再将相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号关联产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号。
S704，将相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号输出到相位及电光转换模块A构成闭合的微波光子回路。
其中，逐渐增加微波光子回路的增益，使相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号或相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号达到特定分布，对应微波光子回路的最小增益状态，最小增益对应组合优化问题的最优解。
根据本发明的实施例，在解决具体的组合优化问题时，伊辛自旋通过自旋连接模块6实现自旋间的关联，从而将实际的优化问题映射到微波光子伊辛机中。此时，微波光子伊辛机的哈密顿量可表示为：
其中，Jij为第i个自旋和第j个自旋关联的系数，σi和σj是自旋的方向。从公式(2)可以看出，不同的自旋关联对应不同的哈密顿量，因此自旋间的关联改变了伊辛机的增益和损耗特性。图8示意性示出了本发明实施例的微波光子伊辛机的工作原理图。如图8所示，此时实际组合优化问题映射到了微波光子伊辛机的增益和损耗特性上，光电参量振荡器的最小增益对应组合优化问题的最优解。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波光子伊辛机，其特征在于，包括：
首尾依次连接的相位及电光转换模块（A）与存储关联及光电转换模块（B）构成的闭合回路；
激光光源（1），用于产生光信号并输入所述相位及电光转换模块（A）；
微波脉冲本振源（12），用于产生微波脉冲信号并输入所述相位及电光转换模块（A）；
其中，所述相位及电光转换模块（A）用于将所述微波脉冲信号、所述光信号及所述存储关联及光电转换模块（B）输入的相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号进行调制，得到相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，并输入所述存储关联及光电转换模块（B）继续进行存储和关联；
其中，所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号对应所述微波光子伊辛机的最小增益状态。
2.根据权利要求1所述的微波光子伊辛机，其特征在于，
所述相位及电光转换模块（A）包括调制器（3）和非线性介质（10），所述存储关联及光电转换模块（B）包括光纤（4），信号关联装置（C）和光电探测器（8），所述信号关联装置（C）包括分束装置（5），自旋连接模块（6）和合束装置（7），所述分束装置（5）的一路输出连接所述自旋连接模块（6）的输入，另一路输出连接所述合束装置（7）的输入，所述自旋连接模块（6）的输出也连接所述合束装置（7）的输入；
所述非线性介质（10）用于将所述微波脉冲信号转换为相位随机的二相位微波脉冲自旋信号，所述调制器（3）用于将所述相位随机的二相位微波脉冲自旋信号和所述光信号调制成所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，所述光纤（4）用于存储所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，其中：
所述自旋连接模块（6）用于将输入所述自旋连接模块（6）中的任意两个所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，所述光电探测器（8）用于将所述合束装置（7）输出的所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转换为所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，并输出到所述非线性介质（10），构成闭合的回路，所述光纤（4）与所述信号关联装置（C）的位置可以互换；
或者，所述光电探测器（8）用于将所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，所述自旋连接模块（6）用于将输入所述自旋连接模块（6）中的任意两个所述相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行关联，产生所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，所述合束装置（7）用于输出所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号到所述非线性介质（10），构成闭合的回路。
3.根据权利要求1所述的微波光子伊辛机，其特征在于，
所述相位及电光转换模块（A）包括调制器（3）和非线性介质（10），所述存储关联及光电转换模块（B）包括光纤（4），信号关联装置（C）和光电探测器（8），所述信号关联装置（C）包括分束装置（5），自旋连接模块（6）和合束装置（7），所述分束装置（5）的一路输出连接所述自旋连接模块（6）的输入，另一路输出连接所述合束装置（7）的输入，所述自旋连接模块（6）的输出也连接所述合束装置（7）的输入；
所述调制器（3）用于将所述微波脉冲信号和所述光信号调制成微波脉冲光信号，所述非线性介质（10）用于将所述微波脉冲光信号转换为相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，所述光纤（4）用于存储所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，其中：
所述自旋连接模块（6）用于将输入所述自旋连接模块（6）中的任意两个所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号进行关联，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，对应所述微波光子伊辛机的最小增益状态，所述光电探测器（8）用于将所述合束装置（7）输出的所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转换为所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，并输出到所述调制器（3），构成闭合的回路，所述光纤（4）与所述信号关联装置（C）的位置可以互换；
或者，所述光电探测器（8）用于将所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，所述自旋连接模块（6）用于将输入所述自旋连接模块（6）中的任意两个所述相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行关联，产生所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号，对应所述微波光子伊辛机的最小增益状态，所述合束装置（7）用于输出所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号到所述调制器（3），构成闭合的回路。
4.根据权利要求2或3所述的微波光子伊辛机，其特征在于，所述光纤（4）的损耗小于等于0.2dB/km。
5.根据权利要求1所述的微波光子伊辛机，其特征在于，所述二相位为0或者π。
6.根据权利要求2或3所述的微波光子伊辛机，其特征在于，所述自旋连接模块（6）为可编程网络，包括一路或至少两路的延时线网络或者包括反馈关联网络，所述可编程网络用于对所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号或所述相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号进行可编程关联。
7.根据权利要求2或3所述的微波光子伊辛机，其特征在于，
所述激光光源（1）和所述光电探测器（8）之间通过光信号的部分为光路，所述光路还包括一个或至少两个光放大器，用于促进起振；
所述光电探测器（8）和所述调制器（3）之间通过电信号的部分为电路，所述电路还包括一个或至少两个电放大器（9）和一个或至少两个电滤波器（11），其中，所述电滤波器（11）用于对所述电信号进行滤波；所述电放大器（9）和所述电滤波器（11）在所述电路中的位置可以互换。
8.根据权利要求2或3所述的微波光子伊辛机，其特征在于，所述分束装置（5）包括分束器和波分解复用器，所述合束装置（7）包括合束器和波分复用器。
9.根据权利要求1所述的微波光子伊辛机，其特征在于，所述激光光源（1）和所述微波脉冲本振源（12）可以同时分别替换为激光脉冲光源（1’）和微波本振源（12’）；
或者，将所述微波脉冲本振源（12）替换为所述微波本振源（12’），同时在所述微波光子伊辛机中加入脉冲整形装置（2）；
或者，将所述激光光源（1）替换为激光脉冲光源（1’），但需增加同步装置，使所述激光脉冲光源（1’）和所述微波脉冲本振源（12）的脉冲同步。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的微波光子伊辛机求解组合优化问题的方法，其特征在于，包括：
通过激光光源（1）产生光信号，所述光信号经过相位及电光转换模块（A）输入到存储关联及光电转换模块（B），所述光信号被转换成电信号并输入到所述相位及电光转换模块（A），引起闭合回路的振荡；
通过微波脉冲本振源（12）产生微波脉冲信号，所述相位及电光转换模块（A）将所述微波脉冲信号，所述光信号及所述电信号转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，其中：
利用所述存储关联及光电转换模块（B）存储和关联所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号，产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号，再将所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋光信号转化为相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号；
或者，将所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号先转换成相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号，再将所述相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号关联产生相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号；
将所述相位特定分布的二相位微波脉冲自旋电信号输出到所述相位及电光转换模块（A）构成闭合的微波光子回路，其中，逐渐增加所述微波光子回路的增益，使所述相位随机的二相位微波脉冲自旋光信号或所述相位随机的二相位微波脉冲自旋电信号达到特定分布，对应所述微波光子回路的最小增益状态，所述最小增益对应所述组合优化问题的最优解。
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