CN115118342A - 相干伊辛机及多元二次优化问题的求解方法 - Google Patents

相干伊辛机及多元二次优化问题的求解方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种相干伊辛机及多元二次优化问题的求解方法，相干伊辛机包括：光电转换电路，用于实现光电参量振荡环路中的光电转换；逻辑运算模块，用于利用伊辛自旋信号模拟计算多元二次优化问题，得到反馈信号；微波源，用于产生固定频率的本振信号；第一混频器，用于对本振信号和反馈信号进行混频，引发光电参量振荡环路振荡产生伊辛自旋信号。光电参量振荡环路在稳定状态下振荡在损耗最小的点，对应伊辛能量的最小值，从而得到多元二次优化问题的最优解。本发明的相干伊辛机具有高相干性，可以实现大规模的多元二次优化问题的求解。

Description

相干伊辛机及多元二次优化问题的求解方法
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种相干伊辛机及多元二次优化问题的求解方法。
背景技术
随着科技的进步和社会的发展，我们面对的需要优化的问题也越来越复杂，这些问题涉及医疗、生物科学、计算机科学、数学、机器学习、交通优化等领域。例如，在医疗领域可以进行放射治疗计划的优化，从而提高治疗计划方案的可靠性及效率，而且随着新型的放疗技术的出现，对放射治疗方案的优化精度及计算速度都有了越来越高的要求；在交通优化领域，通过对车辆出行路径进行时空上的优化，不但可以减少个人通行的时间，而且可以降低城市的拥堵，提高通行效率。而上述这些组合优化问题大多数属于非确定性多项式(NP)问题或非确定性多项式困难(NP-hard)问题，随着问题的复杂化，需要的计算量也成指数或者阶乘量级的增长，问题的求解也无法在多项式时间内完成，因此也就需要更加有效的方式来进行此类问题的求解。
而且，伴随着摩尔定律终结之日的日益临近，传统计算机算力的提升也十分的有限，虽然有一些新的算法尝试解决此类问题，但是使用传统的方法仍然难以应对这些日趋复杂的多元二次优化问题。目前，也有人尝试使用量子退火或者基于光参量振荡器的伊辛机等进行问题的优化，但是使用量子退火需要超低温运行，而且受量子比特数的限制，不能解决大规模的多元二次优化问题；使用基于光参量振荡器的伊辛机进行优化虽然可以进行大规模多元二次优化问题的求解，但是脆弱的光参量过程和光相位的环境敏感性使其存在临振荡稳定性不足以及相干性不足等问题，从而导致计算结果准确性降低等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提供一种相干伊辛机，用于至少部分解决以上技术问题。
(二)技术方案
本发明提供一种相干伊辛机，用于求解多元二次优化问题，包括：光电转换电路A，用于实现光电参量振荡环路中的光电转换；逻辑运算模块B，用于利用伊辛自旋信号模拟计算多元二次优化问题，得到反馈信号；微波源13，用于产生固定频率的本振信号；第一混频器12，用于对本振信号和反馈信号进行混频，引发光电参量振荡环路振荡产生伊辛自旋信号。
可选地，逻辑运算模块B包括：模数转换器8，用于将伊辛自旋信号转换成第一数字信号；逻辑运算单元9，用于存储描述多元二次优化问题的矩阵，对矩阵和第一数字信号进行运算得到第二数字信号；数模转换器10，用于将第二数字信号转换成反馈信号；相干伊辛机还包括：分束装置7和合束装置11，其中，分束装置7用于从光电参量振荡环路中分出一路伊辛自旋信号输入模数转换器8，合束装置11用于将反馈信号与分束装置7输出的另一路伊辛自旋信号耦合后输入到第一混频器12。
可选地，逻辑运算单元9包括：CPU、FPGA、GPU和ASIC中的任意一种。
可选地，伊辛自旋信号的相位为0或π。
可选地，光电转换电路A包括：脉冲激光器1，用于产生脉冲激光信号；电光调制器2，用于使用第一混频器12输出的电信号调制脉冲激光信号；长光纤3，用于增加光电参量振荡环路中的光信号的延时；光电探测器6，用于对光信号进行光电转换。
可选地，相干伊辛机还包括：放大器4，用于放大光电参量振荡环路中的信号；滤波器5，用于对光电参量振荡环路中的信号进行滤波；其中，脉冲激光器1，电光调制器2，长光纤3，放大器4，滤波器5，光电探测器6，分束装置7，合束装置11，第一混频器12以及微波源13共同组成光电参量振荡环路。
可选地，脉冲激光器1用于输出频率重复的脉冲激光信号，产生伊辛自旋，其中，频率根据多元二次优化问题和/或光电参量振荡环路的延时调节；脉冲激光器1包括电脉冲信号调制的直调激光器，或者连续激光器和脉冲信号调制的电光调制器的组合。
可选地，滤波器5包括：光滤波器51或者电滤波器52，用于对光电参量振荡环路中的光信号或者电信号进行滤波；放大器4包括：光放大器41或者电放大器42，用于对光电参量振荡环路中的光信号或者电信号进行放大。
可选地，逻辑运算模块B还包括：第二混频器14和/或第三混频器15，用于对模拟信号进行下变频和/或对第二数字信号进行上变频。
本发明另一方面提供一种基于本发明任一实施例中相干伊辛机的多元二次优化问题的求解方法，包括：使用光电参量振荡环路中信号的相位信息作为伊辛自旋的载体；将多元二次优化问题映射到光电参量振荡器的增益/损耗特性上；求解增益/损耗特性对应的伊辛能量的最小值，得到多元二次优化问题的最优解；其中，求解增益/损耗特性对应的伊辛能量包括：
根据公式：
Figure BDA0002982411620000031
求解增益/损耗特性对应的伊辛能量，其中，H是伊辛能量，si可取的值为+1和-1，代表伊辛自旋的方向；耦合矩阵J和hi共同描述多元二次优化问题，当系统的伊辛能量最小时，对应的伊辛自旋si、sj的值即为多元二次优化问题的最优解。
(三)有益效果
本发明提供一种相干伊辛机，可以用于求解多元二次优化问题。通过第一混频器调节光电参量振荡环路的频率，使得环路中振荡信号的相位为二相位，例如为0或者π，即使环路达到简并状态。振荡信号的二相位可以用于表示伊辛自旋的两个自旋状态，同时，利用逻辑运算模块引入多元二次优化问题的矩阵，将矩阵与伊辛自旋结合运算，当环路中伊辛能量最小时，对应的自旋值即为多元二次优化问题的最优解。本发明将多元二次优化问题映射到光电参量振荡器的增益/损耗特性上，提出了一种新的多元二次优化问题求解方法。
本发明通过微波源产生固定频率的本振信号，使得光电参量振荡环路中的伊辛自旋信号具有更高的相干性和稳定性，从而可以提高计算结果的准确性。
本发明通过低损耗储能元件长光纤增加了光电参量振荡环路中光信号的延时，从而借助时分复用技术，大大增加了环路中伊辛自旋的数量，可以快速地进行大规模的多元二次优化问题的求解，并且不需要在低温下进行，极大的降低了解决多元二次优化问题的时间成本和使用成本。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例的相干伊辛机的结构图；
图2示意性示出了本发明另一实施例的相干伊辛机的结构图；
图3示意性示出了本发明又一实施例的相干伊辛机的结构图；
图4示意性示出了本发明实施例的多元二次优化问题的求解方法流程图。
【附图标记说明】
1-脉冲激光器
2-电光调制器
3-长光纤
4-放大器
41-光放大器
42-电放大器
5-滤波器
51-光滤波器
52-电滤波器
6-光电探测器
7-分束装置
8-模数转换器
9-逻辑运算单元
10-数模转换器
11-合束装置
12-第一混频器
13-微波源
14-第二混频器
15-第三混频器
A-光电转换电路
B-逻辑运算模块
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。
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1示意性示出了本发明实施例的相干伊辛机的结构图，如图1所示，相干伊辛机例如包括：
光电转换电路A，用于实现光电参量振荡环路中的光电转换。
逻辑运算模块B，用于利用伊辛自旋信号模拟计算多元二次优化问题，得到反馈信号。
微波源13，用于产生固定频率的本振信号。
混频器12，用于对本振信号和反馈信号进行混频，引发光电参量振荡环路振荡产生伊辛自旋信号。
根据本发明实施例，逻辑运算模块B例如包括：
模数转换器8，用于将伊辛自旋信号转换成第一数字信号。
逻辑运算单元9，用于存储描述多元二次优化问题的矩阵，对矩阵和第一数字信号进行运算得到第二数字信号。其中，逻辑运算单元9例如包括：CPU(中央处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、GPU(图形处理器)和ASIC(专用集成电路)等可以进行逻辑运算的单元中的任意一种。
数模转换器10，用于将第二数字信号转换成反馈信号。
根据本发明实施例，相干伊辛机还包括：分束装置7和合束装置11，其中，分束装置7用于从光电参量振荡环路中分出一路伊辛自旋信号输入模数转换器8，合束装置11用于将反馈信号与分束装置7输出的另一路伊辛自旋信号耦合后输入到混频器12。同时，微波源13产生的微波信号输入混频器12，在混频器12中产生电的二阶参量过程，从而产生0或π两种相位状态的振荡，这两种相位状态可以分别代表伊辛自旋的自旋向上和自旋向下，从而把多元二次优化问题映射到光电参量振荡器的增益/损耗特性上，光电参量振荡器达到稳定状态后振荡在损耗最小的点，对应伊辛能量的最小值，读取此时伊辛自旋的状态即可得到多元二次优化问题的最优解。分束装置7例如可以为功分器，合束装置11例如可以为合路器，通过分束装置7可以将伊辛自旋信号经模数转化后输入到逻辑运算单元9，进而将描述多元二次优化问题的矩阵与伊辛自旋信号的相位信息结合计算。通过合束装置11将经过逻辑运算单元9计算得到的反馈信号经数模转换后，即得到映射有多元二次优化问题的伊辛自旋信号，与分束装置7输出的另一路未经计算的伊辛自旋信号耦合，实现不同伊辛自旋之间的耦合。
根据本发明实施例，光电转换电路A例如包括：
脉冲激光器1，用于产生脉冲激光信号。脉冲激光器1还可以用于输出频率重复的脉冲激光信号，产生伊辛自旋，其中，该重复的频率可以根据多元二次优化问题和/或光电参量振荡环路的延时调节。脉冲激光器1例如可以包括电脉冲信号调制的直调激光器，或者连续激光器和脉冲信号调制的电光调制器的组合，以及可以产生光脉冲信号的其他方式。
电光调制器2，用于使用混频器12输出的电信号调制脉冲激光信号。
长光纤3，用于增加光电参量振荡环路中的光信号的延时。长光纤3例如可以是低损耗储能元件，可以借助时分复用技术，增加环路中伊辛自旋的数量，从而提高可优化的多元二次问题的规模。
光电探测器6，用于对光信号进行光电转换，将光电参量振荡环路中的光信号转换为电信号。
根据本发明实施例，相干伊辛机例如还包括：
放大器4，用于放大光电参量振荡环路中的信号。
滤波器5，用于对光电参量振荡环路中的信号进行滤波。
其中，脉冲激光器1，电光调制器2，长光纤3，放大器4，滤波器5，光电探测器6，功分器7，合路器11，混频器12以及微波源13共同组成光电参量振荡环路。滤波器5例如可以包括：光滤波器51或者电滤波器52，用于对光电参量振荡环路中的光信号或者电信号进行滤波，例如滤除电光调制器2对光信号调制后产生的高阶边带。放大器4例如可以包括：光放大器41或者电放大器42，用于对光电参量振荡环路中的光信号或者电信号进行放大，以增加环路的增益，促进起振。
图2示意性示出了本发明另一实施例的相干伊辛机的结构图。
根据本发明另一实施例，如图2所示，求解多元二次优化问题的相干伊辛机例如主要包括：脉冲激光器1、电光调制器2、长光纤3、光放大器41、光滤波器51、光电探测器6、分束装置7、模数转换器8、逻辑运算单元9、数模转换器10、合束装置11、混频器12、电滤波器52以及微波源13。其中，脉冲激光器1、电光调制器2、长光纤3、光放大器41、光滤波器51、光电探测器6之间通过光纤跳线依次连接。分束装置7、合束装置11、混频器12、电滤波器52、电光调制器2之间通过电缆依次连接。混频器12和微波源13之间通过电缆连接。分束装置7、模数转换器8、逻辑运算单元9、数模转换器10、合束装置11之间通过电缆依次连接。
根据本发明另一实施例，脉冲激光器1发出的脉冲光进入电光调制器2，电光调制器2对来自脉冲激光器1的光进行调制，产生光边带，调制后的光经过长光纤3传输后使用光放大器41进行放大。长光纤3作为储能元件，一方面可以提高环路中振荡信号的质量，另一方面可以增加环路的延时，使环路中同时存在更多的光脉冲，从而使本发明中提出的相干伊辛机可以解决更大规模的组合优化问题。放大后的光信号进入光滤波器51进行滤波，将调制产生的高阶边带滤除，从而使光电参量振荡器工作在简并状态下。滤波后的光被光电探测器6探测，并经过分束装置7分为两路，一路被模数转换器8检测，另一路输入合束装置11。模数转换器8将检测到的信号输入逻辑运算单元9进行逻辑运算，计算得到反馈信号，其中，逻辑运算单元9中存储了描述待优化问题的矩阵，将此矩阵与模数转换器8检测到的信号进行运算即可得到反馈信号。反馈信号通过数模转换器10进行输出并使用合束装置11耦合回到光电参量振荡器环路。合束装置11的输出输入到混频器12中，同时，混频器12中还输入微波源13产生的本振信号，在混频器12中就会产生电的二阶参量过程，在简并状态下环路中起振的信号例如只有0和π两种相位状态，可以分别代表伊辛自旋的两个自旋状态。混频器12的输出信号经电滤波器52进行滤波，滤除不需要的杂散波后输入电光调制器2实现在电光调制器2中的调制。在环路中形成稳定的振荡后，振荡的脉冲的相位状态就对应着待优化多元二次问题的最优解。
图3示意性示出了本发明又一实施例的相干伊辛机的结构图。
根据本发明又一实施例，如图3所示，逻辑运算模块B例如还包括：第二混频器14和/或第三混频器15，用于对模拟信号进行下变频和/或对第二数字信号进行上变频。模数转换器8之前和数模转换器10之后例如可以分别加入混频器进行频率下转换和频率上转换，以解决数字信号和模拟信号相互转换过程中可能存在的采样率不足的问题。
综上所述，本发明实施例提出一种可用于求解多元二次优化问题的相干伊辛机。通过第一混频器调节光电参量振荡环路的频率，使得环路中振荡信号的相位为二相位，使环路达到简并状态。振荡信号的二相位可以用于表示伊辛自旋的两个自旋状态，同时，利用逻辑运算模块引入多元二次优化问题的矩阵，将矩阵与伊辛自旋结合运算，当环路中伊辛能量最小时，对应的自旋值即为多元二次优化问题的最优解。
图4示意性示出了本发明实施例的多元二次优化问题的求解方法流程图。
如图4所示，本发明另一方面提供一种基于本发明任一实施例中相干伊辛机的多元二次优化问题的求解方法，例如包括：
S401、使用光电参量振荡环路中信号的相位信息作为伊辛自旋的载体。
S402、将多元二次优化问题映射到光电参量振荡器的增益/损耗特性上。
S403、求解增益/损耗特性对应的伊辛能量的最小值，得到多元二次优化问题的最优解。
其中，求解增益/损耗特性对应的伊辛能量包括：
根据公式：
Figure BDA0002982411620000091
求解增益/损耗特性对应的伊辛能量，其中，H是伊辛能量，si可取的值为+1和-1，代表伊辛自旋的方向；耦合矩阵J和hi共同描述多元二次优化问题，当系统的伊辛能量最小时，对应的伊辛自旋si、sj的值即为多元二次优化问题的最优解。
方法实施例部分未尽细节之处与装置实施例部分类似，请参见装置实施例部分，此处不再赘述。
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)

1.一种相干伊辛机，其特征在于，用于求解多元二次优化问题，包括：
光电转换电路(A)，用于实现光电参量振荡环路中的光电转换；
逻辑运算模块(B)，用于利用伊辛自旋信号模拟计算所述多元二次优化问题，得到反馈信号；
微波源(13)，用于产生固定频率的本振信号；
第一混频器(12)，用于对所述本振信号和所述反馈信号进行混频，引发所述光电参量振荡环路振荡产生所述伊辛自旋信号。
2.根据权利要求1所述相干伊辛机，其特征在于，所述逻辑运算模块(B)包括：
模数转换器(8)，用于将所述伊辛自旋信号转换成第一数字信号；
逻辑运算单元(9)，用于存储描述所述多元二次优化问题的矩阵，对所述矩阵和所述第一数字信号进行运算得到第二数字信号；
数模转换器(10)，用于将所述第二数字信号转换成所述反馈信号；
所述相干伊辛机还包括：
分束装置(7)和合束装置(11)，其中，所述分束装置(7)用于从所述光电参量振荡环路中分出一路所述伊辛自旋信号输入所述模数转换器(8)，所述合束装置(11)用于将所述反馈信号与所述分束装置(7)输出的另一路所述伊辛自旋信号耦合后输入到所述第一混频器(12)。
3.根据权利要求2所述的相干伊辛机，其特征在于，所述逻辑运算单元(9)包括：
CPU、FPGA、GPU和ASIC中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的相干伊辛机，其特征在于，所述伊辛自旋信号的相位为0或π。
5.根据权利要求1所述的相干伊辛机，其特征在于，所述光电转换电路(A)包括：
脉冲激光器(1)，用于产生脉冲激光信号；
电光调制器(2)，用于使用所述第一混频器(12)输出的电信号调制所述脉冲激光信号；
长光纤(3)，用于增加所述光电参量振荡环路中的光信号的延时；
光电探测器(6)，用于对所述光信号进行光电转换。
6.根据权利要求5所述的相干伊辛机，其特征在于，所述相干伊辛机还包括：
放大器(4)，用于放大所述光电参量振荡环路中的信号；
滤波器(5)，用于对所述光电参量振荡环路中的信号进行滤波；
其中，所述脉冲激光器(1)，所述电光调制器(2)，所述长光纤(3)，所述放大器(4)，所述滤波器(5)，所述光电探测器(6)，所述分束装置(7)，所述合束装置(11)，所述第一混频器(12)以及所述微波源(13)共同组成所述光电参量振荡环路。
7.根据权利要求5所述的相干伊辛机，其特征在于，所述脉冲激光器(1)用于输出频率重复的脉冲激光信号，产生伊辛自旋，其中，所述频率根据所述多元二次优化问题和/或所述光电参量振荡环路的延时调节；
所述脉冲激光器(1)包括电脉冲信号调制的直调激光器，或者连续激光器和脉冲信号调制的电光调制器的组合。
8.根据权利要求6所述的相干伊辛机，其特征在于，所述滤波器(5)包括：
光滤波器(51)或者电滤波器(52)，用于对所述光电参量振荡环路中的光信号或者电信号进行滤波；
所述放大器(4)包括：
光放大器(41)或者电放大器(42)，用于对所述光电参量振荡环路中的光信号或者电信号进行放大。
9.根据权利要求2所述的相干伊辛机，其特征在于，所述逻辑运算模块(B)还包括：
第二混频器(14)和/或第三混频器(15)，用于对所述模拟信号进行下变频和/或对所述第二数字信号进行上变频。
10.一种基于权利要求1-9任意一项所述相干伊辛机的多元二次优化问题的求解方法，其特征在于，包括：
使用光电参量振荡环路中信号的相位信息作为伊辛自旋的载体；
将所述多元二次优化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/损耗特性对应的伊辛能量的最小值，得到所述多元二次优化问题的最优解；
其中，所述求解所述增益/损耗特性对应的伊辛能量包括：
根据公式：
Figure FDA0002982411610000031
求解所述增益/损耗特性对应的伊辛能量，其中，H是伊辛能量，si可取的值为+1和-1，代表伊辛自旋的方向；耦合矩阵J和hi共同描述所述多元二次优化问题，当系统的伊辛能量最小时，对应的伊辛自旋si、sj的值即为所述多元二次优化问题的最优解。
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