CN114696905B - 可编程伊辛机及组合优化问题和密码学问题的解决方法 - Google Patents

可编程伊辛机及组合优化问题和密码学问题的解决方法 Download PDF

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CN114696905B CN202011643508.5A CN202011643508A CN114696905B CN 114696905 B CN114696905 B CN 114696905B CN 202011643508 A CN202011643508 A CN 202011643508A CN 114696905 B CN114696905 B CN 114696905B
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Abstract

本发明提供一种可编程伊辛机及组合优化问题和密码学问题的解决方法，可编程伊辛机包括：依次环形连接的第一电光调制器、长光纤、光电探测器、编程模块及混频器；激光脉冲产生装置，连接第一电光调制器的输入；本振源，连接混频器的输入。本发明的可编程伊辛机可以实现超大规模的伊辛自旋，具有大带宽、免电磁干扰的特点，借助可编程器件，可以实现任意自旋之间的可编程连接，产生相位特定分布的二相位脉冲自旋电信号，对应可编程伊辛机的最小增益，最小增益对应组合优化问题和密码学问题的最优解。

Description

可编程伊辛机及组合优化问题和密码学问题的解决方法
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种可编程伊辛机及组合优化问题和密码学问题的解决方法。
背景技术
组合优化问题是现代生产生活中十分普遍的问题，对组合优化问题的研究和求解是包括金融、药物研发、交通控管、电路设计、以及人工智能等诸多领域的重要课题。例如，在铁路运输当中，列车编组计划问题是一类超大规模的组织优化问题，高效的列车编组不仅能够保证货物以最经济的速度送达，而且可以保证全线路的点线能力得到协调利用，充分挖掘铁路运输的潜力，提高运输效率，降低堵塞的概率；在金融领域，合理的投资组合可以实现资产配置的优化，获得较高的预期投资收益，同时尽可能地降低投资风险。随着工业生产的大规模化、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，具体表现主要包括以下：不断增加的节点规模、日趋复杂的节点关联性、组合涉及参数变量多样化。
在过去几十年的时间里，电子技术和计算机技术的迅猛发展为这些问题的求解提供了强大的助力，但随着电子瓶颈的日益凸显，未来将难以应对规模日益增大的组合优化问题。其中最主要的原因是众多的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，随着组合的变量增加，计算机在求解这些问题所需的时间会以指数速率甚至阶乘速率增加。目前研究表明，不存在有效算法可在多项式的时间内准确求解NP-困难问题或者NP-完全问题。随着组合优化问题规模的日益增长，在计算资源有限的条件下，传统的计算机在可容忍的时间内仍难以保证获得预期的求解方案。特别地，在大规模、复杂的交通规划以及金融投资组合等问题上，对求解方案具有实时性的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提供一种可编程伊辛机及组合优化问题和密码学问题的解决方法，用于至少部分解决以上技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种可编程伊辛机，包括：依次环形连接的第一电光调制器3a、长光纤4、光电探测器5、编程模块B及混频器10；激光脉冲产生装置A，连接第一电光调制器3a的输入；本振源11，连接混频器10的输入；其中，第一电光调制器3a用于对混频器10输入的电信号及激光脉冲产生装置A输入的激光脉冲信号进行电光调制，长光纤4，用于延长经第一电光调制器3a调制后的光信号的光环路时间；光电探测器5用于将长光纤4传输的光信号转换为电信号；编程模块B用于将光电探测器5输出的电信号转化为数字信号，对任意两个数字信号进行可编程耦合，再将可编程耦合后的数字信号转化为电信号并输入混频器10；混频器10用于将本振信号及编程模块B输入的电信号进行混频，并产生相位随机的二相位自旋信号。
可选地，编程模块B包括模数转换器8a，可编程器件9，数模转换器8b，其中，可编程器件9为具有矩阵运算能力的电子计算单元，包括FPGA、CPU、DSP中的任意一种；可编程器件9也可以用于对数字信号的观测。
可选地，长光纤4为损耗小于等于0.2dB/km的储能元件，借助长光纤4的低损耗特性以及时分复用技术，可以实现大规模的伊辛自旋。
可选地，二相位为0或π。
可选地，激光脉冲产生装置A包括激光器1，任意波形发生器2和第二电光调制器3b，由激光器1，第二电光调制器3b，第一电光调制器3a，光电探测器5，本振源11，电滤波器7和混频器10共同组成光电参量振荡器；光电参量振荡器包括单环路或者至少二环路，其中，在至少二环路中，通过耦合器将光信号分成至少两路，对每一路的光信号进行不同的延时；然后通过光电探测器5将每一路光信号转换成电信号，再通过电耦合器将每一路电信号耦合在一起；或者，先通过耦合器将延时后的每一路光信号耦合在一起，再通过光电探测器5将光信号转换成电信号，用于降低相位噪声，提高基于光电参量振荡器的可编程伊辛机的工作稳定性。
可选地，任意波形发生器2可以提供方波或者高斯类型的脉冲信号。
可选地，光电探测器5和第一电光调制器3a之间通过电信号的部分为电路，电路中还包括一个或至少两个电放大器6，电放大器6的输入可以连接光电探测器5，编程模块B或混频器10的输出，用于将电信号放大，以促进起振；电路中包括一个或至少两个电滤波器7，电滤波器7的输入可以连接光电探测器5，编程模块B或混频器10的输出，电滤波器7包括带通滤波器或者低通滤波器，用于滤除电信号中多余的频率。
可选地，电滤波器7为带通滤波器。
可选地，光电探测器5和第一电光调制器3a之间通过电信号的部分为电路，电路中还包括功分器12，功分器12的一路用于输出相位特定分布的二相位脉冲自旋电信号来进行观测。
本发明另一方面提供一种组合优化问题和密码学问题的解决方法，包括：使用光电非线性参量振荡的光脉冲的相位信息作为伊辛自旋的载体；将组合优化问题和密码学问题映射到光电参量振荡器的增益/损耗特性上；求解增益/损耗特性对应的哈密顿量的最小值，得到组合优化问题和密码学问题的最优解；其中，求解增益/损耗特性对应的哈密顿量包括：根据公式：
求解增益/损耗特性对应的哈密顿量，其中，H为系统的哈密顿量，Ji，j是不同伊辛自旋i、j之间的相互作用矩阵，σ则是伊辛自旋i、j的方向，一般取值为+1或者-1。当系统的哈密顿量最小时，对应的伊辛自旋i、j的值即为组合优化问题和密码学问题的最优解。
(三)有益效果
本发明提供的可编程伊辛机借助长光纤的低损耗特性以及时分复用技术，可以实现超大规模的伊辛自旋，具有大带宽、免电磁干扰的特点，同时，对本振源的应用，可以为可编程伊辛机带来高相干的特性。
本发明提供的基于光电参量振荡器的可编程伊辛机，基于振荡器增益最小原理，相对于基于冯诺依曼结构的传统计算机，可以实现高速的计算。
本发明提供的可编程伊辛机，使用基于常规使用环境的电子器件，对比基于超导电路的伊辛机，比如D-wave 2000Q，无须保持超低温(1K以下)的环境，无须与周围环境隔离(使用射频屏蔽罩和磁屏蔽子系统)，，可直接在室温环境下工作。
本发明另一方面提供了一种解决复杂的组合优化问题或者密码学问题的方法。基于本发明提供的可编程伊辛机，借助可编程器件，可以实现任意自旋之间的快速可编程连接，产生相位特定分布的二相位脉冲自旋电信号，对应可编程伊辛机的最小增益，最小增益对应组合优化问题和密码学问题的最优解。
附图说明
图1示意性示出了本发明一个实施例的可编程伊辛机的结构图；
图2示意性示出了本发明另一个实施例的可编程伊辛机的结构图；
图3示意性示出了本发明又一个实施例的可编程伊辛机的结构图；
图4示意性示出了本发明又一个实施例的可编程伊辛机的结构图；
图5示意性示出了本发明又一个实施例的可编程伊辛机的结构图；
图6示意性示出了本发明实施例的一种解决复杂的组合优化问题和密码学问题的方法流程图。
【附图标记说明】
1-激光器
2-任意波形发生器
3a-第一电光调制器
3b-第二电光调制器
4-长光纤
5-光电探测器
6-电放大器
7-电滤波器
7a-第一电滤波器
7b-第二电滤波器
8a-模数转换器
8b-数模转换器
9-可编程器件
10-混频器
11-本振源
A-激光脉冲产生装置
B-编程模块
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。
图1示意性示出了本发明一个实施例的可编程伊辛机的结构图。
根据本发明的实施例，如图1所示，本发明提供的一种可编程伊辛机，例如包括：
依次环形连接的第一电光调制器3a、长光纤4、光电探测器5、编程模块B及混频器10。
激光脉冲产生装置A，连接第一电光调制器3a的输入。
本振源11，连接混频器10的输入。
其中，第一电光调制器3a用于对混频器10输入的电信号及激光脉冲产生装置A输入的激光脉冲信号进行电光调制，长光纤4，用于延长经第一电光调制器3a调制后的光信号的光环路时间；光电探测器5用于将长光纤4传输的光信号转换为电信号；编程模块B用于将光电探测器5输出的电信号转化为数字信号，对任意两个数字信号进行可编程耦合，再将可编程耦合后的数字信号转化为电信号并输入混频器10；混频器10用于产生非线性参量振荡，将本振源11产生的本振信号及编程模块B输入的电信号进行混频，并产生相位随机的二相位自旋信号。
根据本发明的实施例，如图1所示，编程模块B例如可以包括模数转换器8a，可编程器件9，数模转换器8b，其中，可编程器件9为具有矩阵运算能力的电子计算单元，例如包括FPGA、CPU、DSP中的任意一种；可编程器件9也可以用于对数字信号的观测。
根据本发明的实施例，可编程器件9例如可以为FPGA，FPGA运算时是并行处理的，因而，本发明也可以实现可编程伊辛机的并行计算。
根据本发明的实施例，模数转换器8a，用于把模拟信号转换为数字信号。可编程器件9，用于数字信号处理，通过伊辛模型的反馈算法将需要的脉冲信号耦合在一起，以达到计算的目的。数模转换器8b，用于把数字信号转换为模拟信号。反馈算法例如可以是：首先对采样后的数字信号进行寻峰处理，每个脉冲用峰值处的幅值c表示；然后用不同伊辛自旋i、j之间的相互作用矩阵Ji，j与幅值向量c做乘法，算出每一个脉冲的反馈系数f；最后用该反馈系数f与对应幅值c相乘，得到的新幅值通过数模转换器8b转换成模拟信号输出。反馈运算表达式为：
f(n+1)＝Jij*c(n) (1)
其中，f(n+1)为第n+1圈运算的反馈系数，Ji，j是伊辛自旋i、j之间的相互作用矩阵，c(n)是第n圈运算的幅值。
根据本发明的实施例，长光纤4例如可以为损耗小于等于0.2dB/km的储能元件，借助长光纤4的低损耗特性以及时分复用技术，可以实现大规模的伊辛自旋。
图2示意性示出了本发明另一个实施例的可编程伊辛机的结构图。
根据本发明的实施例，如图2所示，激光脉冲产生装置A例如可以包括激光器1，任意波形发生器2和第二电光调制器3b，由激光器1，第二电光调制器3b，第一电光调制器3a，光电探测器5，本振源11，电滤波器7和混频器10共同组成光电参量振荡器，光电参量振荡器的频率简并状态由调节本振信号频率实现。
根据本发明的实施例，激光器1，用于产生光信号。任意波形发生器2，用于产生电脉冲信号。第二电光调制器3b，用于对光信号进行强度调制，产生光脉冲包络的调制信号。
根据本发明的实施例，二相位自旋信号中的二相位例如可以为0或π。
根据本发明的实施例，当光电参量振荡器工作在简并状态，即混频器10输入和输出信号的频率均等于本振源11产生的本振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。当本振源11输出本振信号时，光电参量振荡器也输出本振信号，此时各个本振信号的相位取值可表示为0或π，且每个本振信号的相位取0或π的概率一致，因此，光电参量振荡器产生的本振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，由于本振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。
根据本发明的实施例，光电参量振荡器例如可以包括单环路或者至少二环路，其中，在至少二环路中，通过耦合器将光信号分成至少两路，对每一路的光信号进行不同的延时，然后通过光电探测器5将每一路光信号转换成电信号，再通过电耦合器将每一路电信号耦合在一起；或者，先通过耦合器将延时后的每一路光信号耦合在一起，再通过光电探测器5将光信号转换成电信号，用于降低相位噪声，提高基于光电参量振荡器的可编程伊辛机的工作稳定性。
根据本发明的实施例，任意波形发生器2可以提供方波或者高斯类型的脉冲信号。
图3示意性示出了本发明又一个实施例的可编程伊辛机的结构图。
根据本发明的实施例，如图3所示，光电探测器5和第一电光调制器3a之间通过电信号的部分为电路，电路中例如还可以包括一个或至少两个电放大器6，电放大器6的输入可以连接光电探测器5，编程模块B或混频器10的输出，用于将电信号放大，以促进起振；电路中例如可以包括一个或至少两个电滤波器7，电滤波器7的输入可以连接光电探测器5，编程模块B或混频器10的输出，电滤波器7包括带通滤波器或者低通滤波器，用于滤除电信号中多余的频率，优选带通滤波器。
图4示意性示出了本发明又一个实施例的可编程伊辛机的结构图。
根据本发明的实施例，如图4所示，光电探测器5和第一电光调制器3a之间通过电信号的部分为电路，电路中还包括功分器12，功分器12的一路用于输出相位特定分布的二相位脉冲自旋电信号来进行观测。
根据本发明的实施例，功分器12，用于将光电探测器输出的电信号按功率分配为两部分，一部分作为输出，另一部分反馈给第一电光调制器3a，构成闭合的光电振荡器环路。
图5示意性示出了本发明又一个实施例的可编程伊辛机的结构图。
根据本发明的实施例，如图5所示，基于光电参量振荡器的可编程伊辛机例如可以包括：激光器1、任意波形发生器2、第二电光调制器3b、第一电光调制器3a、长光纤4、光电探测器5、电放大器6、第一电滤波器7a、第二电滤波器7b、模数转换器8a、数模转换器8b、可编程器件9、混频器10、本振源11，以及功分器12。其中，激光器1、第一电光调制器3a、第二电光调制器3b、长光纤4、光电探测器5之间通过光纤跳线依次连接；任意波形发生器2和第二电光调制器3b之间用电缆连接；光电探测器5、电放大器6、第一电滤波器7a、模数转换器8a、可编程器件9、数模转换器8b、混频器10、第二电滤波器7b、功分器12和第一电光调制器3a之间通过电缆依次连接；本振源11和混频器10之间通过电缆连接。
根据本发明的实施例，激光器1发出的光信号经过第二电光调制器3b，其中，第二电光调制器3b例如可以为强度耦合器，被任意波形发生器2产生的脉冲信号调制，产生光脉冲信号。调制后的光脉冲信号进入第一电光调制器3a发生强度调制，调制后产生包含载波的脉冲调制信号。利用长光纤4的时分复用作用产生大规模数目的脉冲信号，在光电探测器5中拍频还原为相应频率的脉冲电信号。经过电放大器6放大，第一电滤波器7a滤波后，进入模数转换器8a，模拟信号变为数字信号。可编程器件9用于把实际问题转换为伊辛模型，将问题编写为相应的运算程序，对环路里的脉冲信号进行测量、反馈、耦合、计算等处理。处理后的数字信号进入数模转换器8b，得到相应的模拟信号。上述操作构成了可编程计算的基础。模拟信号进入混频器10，本振源11提供本振信号进入混频器，输出非线性参量转换后的新的频率信号，经过第二电滤波器7b滤掉不需要的高频分量。然后经过功分器12，将功率等分为两份，一份输出用作观测，一份调制到第一电光调制器3a上，形成完整的光电振荡器的环路。上述为形成非线性效应的混频操作，是构建光电参量振荡器的基础，在系统简并状态下，输出的脉冲的相位应为随机的0或π。
根据本发明的实施例，本发明的上述基于光电参量振荡器的可编程伊辛机可直接在室温环境进行大规模的组合优化问题的计算，具有大带宽、免电磁干扰的特点，可执行平行、高速的运算。借助光纤的低损耗特性以及时分复用技术，可以实现超大规模的伊辛自旋。借助可编程器件，可以实现任意自旋之间的可编程连接，有能力解决复杂的组合优化问题或者密码学问题，在运算时间上也具有很大的优势。
综上所述，本发明实施例提出一种可编程伊辛机。通过光纤的低损耗特性以及时分复用技术，可以实现超大规模的伊辛自旋，具有大带宽、免电磁干扰的特点，借助可编程器件，可以实现任意自旋之间的可编程连接，产生相位特定分布的二相位脉冲自旋电信号，对应可编程伊辛机的最小增益状态，最小增益状态对应组合优化问题和密码学问题的最优解。
本发明另一方面提供一种解决复杂的组合优化问题和密码学问题的方法。
图6示意性示出了本发明实施例的一种解决复杂的组合优化问题和密码学问题的方法流程图。
根据本发明的实施例，如图6所示，该方法包括：S601，使用光电非线性参量振荡的光脉冲的相位信息作为伊辛自旋的载体。
S602，将组合优化问题和密码学问题映射到光电参量振荡器的增益/损耗特性上。
S603，求解增益/损耗特性对应的哈密顿量的最小值，得到组合优化问题和密码学问题的最优解。
其中，求解增益/损耗特性对应的哈密顿量包括：根据公式：
求解增益/损耗特性对应的哈密顿量，其中，H为系统的哈密顿量，Ji，j是不同伊辛自旋i、j之间的相互作用矩阵，σ则是伊辛自旋i、j的方向，一般取值为+1或者-1。当系统的哈密顿量最小时，对应的伊辛自旋i、j的值即为组合优化问题和密码学问题的最优解。
根据本发明的实施例，基于本发明提供的可编程伊辛机，借助可编程器件，可以实现任意自旋之间的可编程连接，产生相位特定分布的二相位脉冲自旋电信号，对应可编程伊辛机的最小增益状态，最小增益状态对应组合优化问题和密码学问题的最优解。比如NP问题中经典的最大割问题，根据实际具体的图形问题，将每一个顶点之间的加权值写成一个耦合矩阵，输入进可编程器件中。然后在伊辛机中执行运算，得到这个问题的解。
根据本发明的实施例，例如以光电非线性参量振荡的光脉冲的相位信息作为伊辛自旋的载体，将组合优化问题映射到振荡器的增益/损耗特性上，光电参量振荡器的最小增益，即增益/损耗特性对应的哈密顿量的最小值，对应着组合优化问题和密码学问题的最优解。从公式(3)可以看出，不同的伊辛自旋关联，即不同的相互作用，对应不同的哈密顿量，因此伊辛自旋间的关联改变了伊辛机的增益和损耗特性。当系统的哈密顿量最小时，对应的伊辛自旋的值即为组合优化问题和密码学问题的最优解。
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)

1.一种可编程伊辛机，其特征在于，包括：
依次环形连接的第一电光调制器（3a）、长光纤（4）、光电探测器（5）、编程模块（B）及混频器（10）；
激光脉冲产生装置（A），连接所述第一电光调制器（3a）的输入；
本振源（11），连接所述混频器（10）的输入；
其中，所述第一电光调制器（3a）用于对所述混频器（10）输入的电信号及所述激光脉冲产生装置（A）输入的激光脉冲信号进行电光调制，
所述长光纤（4），用于延长经所述第一电光调制器（3a）调制后的光信号的光环路时间；
所述光电探测器（5）用于将所述长光纤（4）传输的光信号转换为电信号；
所述编程模块（B）用于将所述光电探测器（5）输出的所述电信号转化为数字信号，对任意两个所述数字信号进行可编程耦合，再将可编程耦合后的数字信号转化为电信号并输入所述混频器（10）；
所述混频器（10）用于将本振信号及所述编程模块（B）输入的电信号进行混频，并产生相位随机的二相位自旋信号。
2.根据权利要求1所述的可编程伊辛机，其特征在于，所述编程模块（B）包括模数转换器（8a），可编程器件（9），数模转换器（8b），其中，所述可编程器件（9）为具有矩阵运算能力的电子计算单元，包括FPGA、CPU、DSP中的任意一种；
所述可编程器件（9）也可以用于对所述数字信号的观测。
3.根据权利要求1所述的可编程伊辛机，其特征在于，所述长光纤（4）为损耗小于等于0.2dB/km的储能元件，借助所述长光纤（4）的低损耗特性以及时分复用技术，可以实现大规模的伊辛自旋。
4.根据权利要求1所述的可编程伊辛机，其特征在于，所述二相位为0或π。
5.根据权利要求1所述的可编程伊辛机，其特征在于，所述激光脉冲产生装置（A）包括激光器（1），任意波形发生器（2）和第二电光调制器（3b），由所述激光器（1），所述第二电光调制器（3b），所述第一电光调制器（3a），所述光电探测器（5），所述本振源（11），电滤波器（7）和所述混频器（10）共同组成光电参量振荡器；
所述光电参量振荡器包括单环路或者至少二环路，其中，在所述至少二环路中，通过耦合器将所述光信号分成至少两路，对每一路的所述光信号进行不同的延时；
然后通过光电探测器（5）将每一路所述光信号转换成所述电信号，再通过电耦合器将每一路所述电信号耦合在一起；
或者，先通过耦合器将延时后的每一路所述光信号耦合在一起，再通过光电探测器（5）将所述光信号转换成所述电信号，用于降低相位噪声，提高基于光电参量振荡器的所述可编程伊辛机的工作稳定性。
6.根据权利要求5所述的可编程伊辛机，其特征在于，所述任意波形发生器（2）可以提供方波或者高斯类型的脉冲信号。
7.根据权利要求1所述的可编程伊辛机，其特征在于，所述光电探测器（5）和所述第一电光调制器（3a）之间通过电信号的部分为电路，所述电路中还包括一个或至少两个电放大器（6），所述电放大器（6）的输入可以连接所述光电探测器（5），所述编程模块（B）或所述混频器（10）的输出，用于将所述电信号放大，以促进起振；
所述电路中包括一个或至少两个电滤波器（7），所述电滤波器（7）的输入可以连接所述光电探测器（5），所述编程模块（B）或所述混频器（10）的输出，所述电滤波器（7）包括带通滤波器或者低通滤波器，用于滤除所述电信号中多余的频率。
8.根据权利要求7所述的可编程伊辛机，其特征在于，所述电滤波器（7）为带通滤波器。
9.根据权利要求1所述的可编程伊辛机，其特征在于，所述光电探测器（5）和所述第一电光调制器（3a）之间通过电信号的部分为电路，所述电路中还包括功分器（12），所述功分器（12）的一路用于输出所述相位特定分布的二相位脉冲自旋电信号来进行观测。
10.一种基于权利要求1-9任意一项所述可编程伊辛机的组合优化问题和密码学问题的解决方法，其特征在于，包括：
使用光电非线性参量振荡的光脉冲的相位信息作为伊辛自旋的载体；
将所述组合优化问题和密码学问题映射到光电参量振荡器的增益/损耗特性上；
求解所述增益/损耗特性对应的哈密顿量的最小值，得到所述组合优化问题和密码学问题的最优解；
其中，所述求解所述增益/损耗特性对应的哈密顿量包括：
根据公式：
，
求解所述增益/损耗特性对应的哈密顿量，其中，H为系统的哈密顿量，是不同伊辛自旋i、j之间的相互作用矩阵，σ则是伊辛自旋i、j的方向，一般取值为﹢1或者﹣1，当系统的哈密顿量最小时，对应的伊辛自旋i、j的值即为所述组合优化问题和密码学问题的最优解。
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