CN115470456B - 一种时空复用的光学相干计算方法和装置 - Google Patents

一种时空复用的光学相干计算方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种时空复用的光学相干计算方法和装置，其中的方法包括：设置光学相干计算装置以及耦合矩阵；源脉冲激光器每隔一个周期向每个回音壁微腔输出一个时序脉冲组；矩阵计算模块确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值，计算得到各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值，通过可控脉冲激光器分别向对应的回音壁微腔的耦合器的两端输出多个时序脉冲；当有至少一个回音壁微腔的输出脉冲的光场强度符合稳定条件时，根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的当前的模式值，将各个回音壁微腔的各个时序脉冲分成两组，并将分组结果作为计算结果。通过使用本发明，可以有效地提高在待处理的计算问题的求解过程中的准确性。

Description

一种时空复用的光学相干计算方法和装置
技术领域
本申请涉及数据计算技术领域，尤其涉及一种时空复用的光学相干计算方法和装置。
背景技术
在微纳光学方面，回音壁光学微腔是现代光学中的重要光学器件。其通常具有微米尺度的光学结构，具有强大的光存储能力，可以极大的增强其中的光与物质相互作用。光学回音壁微腔的结构可以是球形，圆盘状，多边形盘状，瓶状和柱状。当其中的光场分布形成闭合回路的时候，即可形成回音壁光学模式。回音壁模式中的光一部分存在于几何结构以内，一部分存在于构成光学微腔的集合体结构外，集合体以外部分的光场被称为倏逝场。可以通过在这一部分嵌入介质的方法改变整个回音壁模式的光程，实现模式的调控。
由于光学非线性效应的存在，光场的演化规律与光场强度有关。在二氧化硅回音壁光学微腔中，由于二氧化硅分子的非对称性，回音壁微腔中有二阶非线性效应。当回音壁微腔中的光场超过一定强度(通常将这个强度称为阈值)，二氧化硅微腔中的光场演化规律会产生根本性改变。根据上述原理，产生了使用二氧化硅的光学微腔实现自旋系统仿真的技术。
在相干光学计算中，当自旋结构相互耦合形成自旋网络的时候，其自发形成的稳定态对应最大割问题的最优解或者近似最优解，因此，可以通过回音光学微腔模拟形成自旋网络，进而来实现最大割及其等价问题的求解。这也解决了经典计算机算法中计算耗时随着计算时间指数上升的问题。
然而，在现有技术中已有的光学微腔自旋网络编程器件中，有一个重要的问题并未得到重视，即：计算的避错问题。在使用一些计算装置模拟一些数学问题并进行求解时，由于现实环境中不可避免的存在噪声等干扰，因此在计算过程中有可能会出现各种各样的错误，从而使得最终的计算结果的准确性比较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种时空复用的光学相干计算方法和装置，从而可以有效地提高光学相干计算装置在待处理的计算问题的求解过程中的准确性。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种时空复用的光学相干计算方法，该方法包括：
步骤A、根据待处理的计算问题设置光学相干计算装置；
步骤B、根据待处理的计算问题，在所述光学相干计算装置的矩阵计算模块中预先设置耦合矩阵；
步骤C、所述光学相干计算装置中的源脉冲激光器每隔一个预设的周期同时分别向所述光学相干计算装置中的每个回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给所述矩阵计算模块；其中，所述一个时序脉冲组中包括具有预设时间间隔的等强度的多个时序脉冲；
步骤D、所述矩阵计算模块根据每个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值；
步骤E、所述矩阵计算模块根据耦合矩阵以及各个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，计算得到各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值；
步骤F、根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值，通过对应的可控脉冲激光器分别向对应的回音壁微腔的耦合器的两端输出具有预设时间间隔的等强度的多个时序脉冲，并使得所述可控脉冲激光器输出的多个时序脉冲与源脉冲激光器输出的下一个时序脉冲组中的多个时序脉冲同时输入至对应的回音壁微腔；
步骤G、当所述光学相干计算装置中有至少一个回音壁微腔的输出脉冲的光场强度不符合预设的稳定条件时，返回执行步骤C；否则，执行步骤H；
步骤H、根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的当前的模式值，将各个回音壁微腔的各个时序脉冲分成两组，并将分组结果作为计算结果。
可选的，当启动所述光学相干计算装置时，所述光学相干计算装置中的源脉冲激光器所输出的时序脉冲激光的功率大于预设的阈值功率。
可选的，所述确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值包括：
将回音壁微腔的两个输出端分别标记为：顺时针输出端和逆时针输出端；
当顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度大于逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度时，将该回音壁微腔的当前时序脉冲对应的模式值记为第一模式值；
当顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度小于逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度时，将该回音壁微腔的当前时序脉冲对应的模式值记为第二模式值。
可选的，所述第一模式值为1，所述第二模式值为0。
可选的，所述步骤E包括：
对于每个回音壁微腔的每个时序脉冲，根据耦合矩阵确认与当前时序脉冲有关联的时序脉冲；
将有关联的各个时序脉冲的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将光场强度之和乘上预设的第一系数，作为当前时序脉冲时的顺时针输出端对应的输出值；将有关联的各个时序脉冲的逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将光场强度之和乘上预设的第二系数，作为当前时序脉冲时的逆时针输出端对应的输出值。
可选的，当通过对应的可控脉冲激光器向一个回音壁微腔的耦合器的第一端输出第k个时序脉冲时，所述第k个时序脉冲的强度值为所述源脉冲激光器向该回音壁微腔输入第k个时序脉冲时的回音壁微腔的第一输出端对应的输出值；
当通过对应的可控脉冲激光器向一个回音壁微腔的耦合器的第二端输出第k个时序脉冲时，所述第k个时序脉冲的强度值为所述源脉冲激光器向该回音壁微腔输入第k个时序脉冲时的回音壁微腔的第二输出端对应的输出值；其中，所述k为大于0的整数。
可选的，所述稳定条件为：
对于一个回音壁微腔，当前周期中的任意一个时序脉冲输入至该回音壁微腔时，该回音壁微腔的第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度，与上一周期中的相对应的时序脉冲输入至该回音壁微腔时第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度之间的差值小于预设的阈值。
本申请中还提出一种时空复用的光学相干计算装置，该装置包括：源脉冲激光器、矩阵计算模块、可控脉冲激光器和多个微腔组件；
每个微腔组件均包括：分束器、耦合器、回音壁微腔和光电探测器；
所述源脉冲激光器与每个微腔组件中的分束器连接，用于每隔一个预设的周期同时分别向每个微腔组件中的回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给所述矩阵计算模块；其中，所述时序脉冲组中包括具有预设时间间隔的等强度的多个时序脉冲；
所述分束器，用于将接收到的时序脉冲分别输出至其所在微腔组件中的耦合器的两端；
所述回音壁微腔位于所述耦合器的倏逝场范围内；
所述回音壁微腔的两个输出端分别与光电探测器的输入端连接；
所述光电探测器的输出端与所述矩阵计算模块的输入端连接；
为每一个微腔组件设置两个可控脉冲激光器，两个可控脉冲激光器的输入端分别与所述矩阵计算模块连接，两个可控脉冲激光器的输出端分别与对应的微腔组件中的耦合器的两端连接。
可选的，所述耦合器为：棱镜、拉锥光纤或波导。
可选的，所述矩阵计算模块为现场可编程门阵列。
如上可见，在本发明中的时空复用的光学相干计算方法和装置中，由于先根据待处理的计算问题设置了光学相干计算装置，并在光学相干计算装置的矩阵计算模块中预先设置了耦合矩阵，且通过源脉冲激光器每隔一个预设的周期同时分别向每个回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给矩阵计算模块；随后，再根据每个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值，并将每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值发送给矩阵计算模块；接着，矩阵计算模块根据耦合矩阵以及各个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，可以计算得到各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值；然后，可以根据输出值，通过对应的可控脉冲激光器分别向对应的回音壁微腔的耦合器的两端输出具有预设时间间隔的等强度的m个时序脉冲，并使得所述可控脉冲激光器输出的m个时序脉冲与源脉冲激光器输出的下一个时序脉冲组中的m个时序脉冲同时输入至对应的回音壁微腔。重复上述步骤，直至光学相干计算装置中所有回音壁微腔的输出脉冲的光场强度都符合预设的稳定条件，最后再根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的当前的模式值，所有的回音壁微腔分成两组，并将分组结果作为光学相干计算装置的计算结果，从而可以计算得到待处理的计算问题的解，并有效地提高光学相干计算装置在待处理的计算问题求解过程中的准确性。
附图说明
图1为本发明具体实施例一中的时空复用的光学相干计算方法的流程示意图。
图2为本发明具体实施例一中的光学相干计算装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
本发明中提出了一种时空复用的光学相干计算方法和装置。
图1为本发明具体实施例一中的时空复用的光学相干计算方法的流程示意图。如图1所示，在本具体实施例中，所述时空复用的光学相干计算方法包括如下步骤：
步骤101，根据待处理的计算问题设置光学相干计算装置。
在本发明的技术方案中，可以根据待处理的计算问题(例如，最大割问题及其等价问题)，预先设置一个基于回音壁微腔的光学相干计算装置。
例如，作为示例，如图2所示，在本申请的一个具体实施例中，所述光学相干计算装置可以包括：源脉冲激光器、矩阵计算模块、可控脉冲激光器和n个微腔组件；
每个微腔组件均包括：分束器、耦合器、回音壁微腔和光电探测器；
所述源脉冲激光器与每个微腔组件中的分束器连接，用于每隔一个预设的周期同时分别向每个微腔组件中的回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给所述矩阵计算模块；其中，所述时序脉冲组中包括具有预设时间间隔的等强度的m个时序脉冲(即激光脉冲)；n个回音壁微腔中的m个时序脉冲分别对应于待处理的计算问题的n×m个节点；
所述分束器，用于将接收到的时序脉冲分别输出至其所在微腔组件中的耦合器的两端；
所述回音壁微腔位于所述耦合器的倏逝场范围内；
所述回音壁微腔的两个输出端分别与光电探测器的输入端连接；
所述光电探测器的输出端与所述矩阵计算模块的输入端连接；
为每一个微腔组件设置两个可控脉冲激光器，两个可控脉冲激光器的输入端分别与所述矩阵计算模块连接，两个可控脉冲激光器的输出端分别与对应的微腔组件中的耦合器的两端连接。
另外，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，上述的n和m均为大于1的整数。
另外，在本申请的技术方案中，可以根据实际应用场景的需要，预先设置上述n和m的取值，在此不再一一列举。
在上述的光学相干计算装置中，一共设置了n个回音壁微腔，而在同一个周期中，源脉冲激光器将向每个回音壁微腔都输出m个时序脉冲。所以，在一个周期内，将一共具有n×m时序脉冲。因此，可以将一个周期内的n×m时序脉冲与具有n×m个节点的待处理的计算问题(例如，最大割问题及其等价问题)的各个节点一一对应。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，在一个周期中：
对于第1个回音壁微腔的第1个时序脉冲，将其编号为1，对应于待处理的计算问题的第1个节点；对于第1个回音壁微腔的第2个时序脉冲，将其编号为2，对应于待处理的计算问题的第2个节点；……；对于第1个回音壁微腔的第m个时序脉冲，将其编号为m，对应于待处理的计算问题的第m个节点；
对于第2个回音壁微腔的第1个时序脉冲，将其编号为m+1，对应于待处理的计算问题的第m+1个节点；对于第2个回音壁微腔的第2个时序脉冲，将其编号为m+2，对应于待处理的计算问题的第m+2个节点；……；对于第2个回音壁微腔的第m个时序脉冲，将其编号为m+m＝2m，对应于待处理的计算问题的第2m个节点；
……；
对于第n个回音壁微腔的第1个时序脉冲，将其编号为(n-1)×m+1，对应于待处理的计算问题的第(n-1)×m+1个节点；对于第n个回音壁微腔的第2个时序脉冲，将其编号为(n-1)×m+2，对应于待处理的计算问题的第(n-1)×m+2个节点；……；对于第n个回音壁微腔的第m个时序脉冲，将其编号为(n-1)×m+2＝n×m，对应于待处理的计算问题的第n×m个节点。
因此可知，在一个周期内，可以将第x个回音壁微腔中的第y个时序脉冲，编号为(x-1)×m+y，对应于待处理的计算问题的第(x-1)×m+y个节点。
当然，在本申请的技术方案中，也可以根据实际应用场景的需要，使用与上述方法相类似的其他方法，将一个周期内的n×m时序脉冲与待处理的计算问题中的n×m个节点一一对应，具体的对应方式在此不再一一列举。
另外，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，所述矩阵计算模块可以是现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)。
另外，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，所述基于回音壁微腔的光学相干计算装置中可以设置一个源脉冲激光器，也可以设置多个源脉冲激光器。
当光学相干计算装置中设置一个源脉冲激光器时，该源脉冲激光器与每一个微腔组件中的分束器连接，从而可以向每一个微腔组件输出时序脉冲组。
当光学相干计算装置中设置有多个源脉冲激光器时，可以每一个源脉冲激光器分别对应一个微腔组件(例如，当光学相干计算装置设置有n个微腔组件时，可以设置n个源脉冲激光器)。因此，每一个源脉冲激光器仅与对应的微腔组件中的分束器连接，从而可以向对应的微腔组件输出时序脉冲组。
另外，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，所述耦合器可以是：棱镜、拉锥光纤或波导。
步骤102，根据待处理的计算问题，在光学相干计算装置的矩阵计算模块中预先设置耦合矩阵。
在本发明的技术方案中，可以根据待处理的计算问题，在光学相干计算装置的矩阵计算模块中预先设置耦合矩阵。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，可以先对待处理的计算问题中的各个节点进行编号，并根据待处理的计算问题中的各个节点之间的连接关系，为耦合矩阵中的每个矩阵元设置相应的取值。
举例来说，在本申请的一个具体实施例中，当待处理的计算问题中的第i个节点与第j个节点之间有连线或连接关系时，则可将耦合矩阵中对应的矩阵元aij的值设为1；当待处理的计算问题中的第i个节点与第j个节点之间没有连线或连接关系时，则可将耦合矩阵中对应的矩阵元的值设为0。其中，i和j的取值范围均为[1，n×m]；其中，i和j为待处理的计算问题中的节点的编号，n×m为待处理的计算问题中的节点的总数。
当然，在本发明的技术方案中，也可以根据实际应用场景的需要，使用其他的方法为耦合矩阵中的每个矩阵元设置其他的取值，具体设置方法在此不再一一赘述。
步骤103，光学相干计算装置中的源脉冲激光器每隔一个预设的周期同时分别向每个回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给所述矩阵计算模块。
在本发明的技术方案中，在启动上述的光学相干计算装置之后，光学相干计算装置中的源脉冲激光器将每隔一个预设的周期同时分别向每个微腔组件中的回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给所述矩阵计算模块。其中，所述一个时序脉冲组中包括具有预设时间间隔的等强度的多个(例如，m个)时序脉冲。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，当光学相干计算装置为如图2所示的光学相干计算装置时，在启动上述光学相干计算装置之后，其中的源脉冲激光器将周期性地输出一个时序脉冲组，即每隔一段时间(例如，预设的周期)就输出一个时序脉冲组，且每个时序脉冲组中包括具有预设时间间隔的等强度的m个时序脉冲。而且，上述时序脉冲组将同时输出至每个微腔组件的回音壁微腔。另外，还需要将每个时序脉冲组的输出时间发送给所述矩阵计算模块，从而可以将上述输出时间作为时钟信号来作为矩阵计算模块的工作时间参考。
另外，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，上述源脉冲激光器输出的时序脉冲组将先输出至微腔组件中的分束器，然后由分束器将接收到的时序脉冲分别输出其所连接的耦合器的两端。此时，时序脉冲将分别从耦合器的两端输入耦合器中。由于回音壁微腔位于耦合器的倏逝场范围内，因此，耦合器中的时序脉冲激光将会以倏逝波的形式，以相同的功率从两个方向(例如，顺时针方向和逆时针方向)耦合到对应的回音壁微腔中。
步骤104、所述矩阵计算模块根据每个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，当耦合器中的时序脉冲激光以相同的功率从两个方向耦合到对应的回音壁微腔中时，两个方向的时序脉冲激光将在回音壁微腔中不断反射形成共振加强激光，并分别从两个输出端(例如，可记为顺时针输出端和逆时针输出端)输出至对应的光电探测器，从而可以通过该光电探测器测量得到对应的回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲激光的光场强度。光电探测器可以将测量得到回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲激光的光场强度发送给所述矩阵计算模块。
因此，对于每一个回音壁微腔来说，在得到该回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度之后，所述矩阵计算模块即可根据两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，来确定该回音壁微腔的每个时序脉冲所对应的模式值。所以，所述矩阵计算模块可以得到每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值。
另外，当将源脉冲激光器输出的时序脉冲激光的频率调到共振频率后，如果逐渐从零增加所输出的时序脉冲激光的功率，则当时序脉冲激光的功率小于某个预设功率时，回音壁微腔的两个输出端输出的输出脉冲激光的光场强度是相同的；如果继续增加源脉冲激光器输出的时序脉冲激光的功率，则当源脉冲激光器输出的时序脉冲激光的功率等于或大于某个预设功率时，回音壁微腔的两个输出端输出的输出脉冲激光的光场强度将不再相同。因此，可以将上述的预设功率称为阈值功率h。
所以，在本申请的技术方案中，当启动上述光学相干计算装置时，上述光学相干计算装置中的源脉冲激光器所输出的时序脉冲激光的功率可以大于上述的阈值功率h。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，所述源脉冲激光器输出的时序脉冲激光的功率可以是1.1h(即输出的时序脉冲激光的功率为1.1倍的阈值功率)。当然，也可以是其他的合适的大于上述的阈值功率h的功率值，在此不再一一列举。
当源脉冲激光器输出的时序脉冲激光的功率等于或大于阈值功率h时，各个回音壁微腔的两个输出端输出的输出脉冲激光的光场强度都将不再相同。此时，可以通过光电探测器测量得到每个回音壁微腔的两个输出端输出的输出脉冲激光的光场强度的强弱情况。
因此，所述矩阵计算模块可以根据每个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，来确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值。
另外，在本发明的技术方案中，可以使用多种方式来确定回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行详细地介绍。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，可以将回音壁微腔的两个输出端分别标记为：顺时针输出端和逆时针输出端；并当顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度大于逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度时，将该回音壁微腔的当前时序脉冲对应的模式值记为第一模式值(例如，第一模式值可以为1)；当顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度小于逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度时，将该回音壁微腔的当前时序脉冲对应的模式值记为第二模式值(例如，第二模式值可以为0)。
通过上述的方式，即可根据每个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值。
由于每个回音壁微腔的每个时序脉冲都对应于待处理的计算问题的一个个节点，因此，上述所确定的每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值，可以相当于所对应的待处理的计算问题的节点的取值。
例如，当第x个回音壁微腔中输入第y个时序脉冲时，该回音壁微腔的当前时序脉冲对应的模式值为第一模式值1，则相当于所对应的待处理的计算问题的第(x-1)×m+y个节点的取值为1。
依次类推，在此不再一一列举。
步骤105，所述矩阵计算模块根据耦合矩阵以及各个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，计算得到各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值。
在本发明的技术方案中，矩阵计算模块将根据预先设置耦合矩阵以及各个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，通过计算得到分别与各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值。
在本申请的技术方案中个，可以使用多种具体实现方法来实现上述的步骤105。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本申请的技术方案进行详细地介绍。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，所述步骤105可以包括如下步骤：
步骤51，对于每个回音壁微腔的每个时序脉冲，根据耦合矩阵确认与当前时序脉冲有关联的时序脉冲；
步骤52，将有关联的各个时序脉冲的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将光场强度之和乘上预设的第一系数，作为当前时序脉冲时的顺时针输出端对应的输出值；将有关联的各个时序脉冲的逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将光场强度之和乘上预设的第二系数，作为当前时序脉冲时的逆时针输出端对应的输出值。
另外，在本申请的技术方案中，可以根据实际应用场景或待处理的计算问题的需要，预先设置上述的第一系数和第二系数的取值，在此不再赘述。
举例来说，在本申请的一个具体实施例中：
假设一共设置了10(n＝10)个回音壁微腔，而在一个周期中，一共有10(m＝10)个时序脉冲，则对应的待处理的计算问题的节点数为10×10＝100个。
因此，在一个周期中，对于其中的第3个回音壁微腔的第2个时序脉冲，其所对应的节点的编号为：(3-1)×10+2＝22，因此该时序脉冲对应于待处理的计算问题的第22个节点。
依次类推，可以得到每个回音壁微腔的每个时序脉冲所对应的待处理的计算问题的节点。
另外，假设对于该第3个回音壁微腔的第2个时序脉冲，该第3个回音壁微腔的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度大于其逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度，因此，该第3个回音壁微腔的第2个时序脉冲对应的模式值记为1(即第一模式值)。
此外，假设该第3个回音壁微腔的第2个时序脉冲所对应的待处理的计算问题的第22个节点，仅与待处理的计算问题的第35个节点(对应于第4个回音壁微腔的第5个时序脉冲)和第51个节点(对应于第6个回音壁微腔的第1个时序脉冲)有关联(例如，有连线或连接关系)，上述关联可以通过矩阵计算模块中预先设置的耦合矩阵来确认。
此时，可以将第4个回音壁微腔的第5个时序脉冲时的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度，与第6个回音壁微腔的第1个时序脉冲时的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将两个光场强度之和乘上预设的第一系数，作为第3个回音壁微腔的第2个时序脉冲时的顺时针输出端对应的输出值；
将第4个回音壁微腔的第5个时序脉冲时的逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度，与第6个回音壁微腔的第1个时序脉冲时的逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将两个光场强度之和乘上预设的第二系数，作为第3个回音壁微腔的第2个时序脉冲时的逆时针输出端对应的输出值，从而得到该第3个回音壁微腔的第2个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值。
依次类推，通过上述的方法，可以计算得到各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值。
另外，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，上述的第一系数和第二系数可以相等，也可以不相等。
步骤106，根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值，通过对应的可控脉冲激光器分别向对应的回音壁微腔的耦合器的两端输出具有预设时间间隔的等强度的多个时序脉冲，并使得所述可控脉冲激光器输出的多个时序脉冲与源脉冲激光器输出的下一个时序脉冲组中的多个时序脉冲同时输入至对应的回音壁微腔。
在本发明的技术方案中，在计算得到某一个回音壁微腔的某个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值之后，即可根据这两个输出端对应的输出值，来控制可控脉冲激光器分别向该回音壁微腔的耦合器的两端输出具有预设时间间隔的等强度的m个时序脉冲。而且，还需要使得可控脉冲激光器输出的m个时序脉冲与源脉冲激光器输出的下一个时序脉冲组中的m个时序脉冲，是同时输入到该回音壁微腔，从而可以实现对输入到回音壁微腔中的时序脉冲进行相应的调整。
另外，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，当通过对应的可控脉冲激光器向一个回音壁微腔的耦合器的第一端输出第k个时序脉冲时，所述第k个时序脉冲的强度值为所述源脉冲激光器向该回音壁微腔输入第k个时序脉冲时的回音壁微腔的第一输出端对应的输出值；
当通过对应的可控脉冲激光器向一个回音壁微腔的耦合器的第二端输出第k个时序脉冲时，所述第k个时序脉冲的强度值为所述源脉冲激光器向该回音壁微腔输入第k个时序脉冲时的回音壁微腔的第二输出端对应的输出值；其中，所述k为大于0的整数，且k小于或等于m。
举例来说，在本申请的一个具体实施例中，每个回音壁微腔的耦合器都有两个端，因此可以将这两个端分别称为第一端和第二端。例如，在如图2所示的结构图中，可以将第1个微腔组件中的耦合器的上端称为第一端，将该耦合器的下端称为第二端。
因此，当通过第1个微腔组件中的位于上方的可控脉冲激光器向该微腔组件中的耦合器的第一端(即上端)输出第3个时序脉冲时，可以将源脉冲激光器向第1个微腔组件中输入第3个时序脉冲时的回音壁微腔的第一输出端(例如，顺时针输出端)对应的输出值，作为上述可控脉冲激光器向该微腔组件中的耦合器的第一端所输出的第3个时序脉冲的强度值；
当通过第1个微腔组件中的位于上方的可控脉冲激光器向该微腔组件中的耦合器的第二端(即下端)输出第3个时序脉冲时，可以将源脉冲激光器向第1个微腔组件中输入第3个时序脉冲时的回音壁微腔的第二输出端(例如，逆时针输出端)对应的输出值，作为上述可控脉冲激光器向该微腔组件中的耦合器的第二端所输出的第3个时序脉冲的强度值。
因此，根据该第1个回音壁微腔的第3个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值，可以控制对应的两个可控脉冲激光器分别向该第1个回音壁微腔的耦合器的两端输出m个时序脉冲中的第3个时序脉冲。
依次类推，在此不再一一列举。
步骤107，当所述光学相干计算装置中有至少一个回音壁微腔的输出脉冲的光场强度不符合预设的稳定条件时，返回执行步骤103；否则，执行步骤108。
在本发明的技术方案中，可以在源脉冲激光器输出一个时序脉冲组之后，判断光学相干计算装置中的各个回音壁微腔的脉冲输出强度(即输出脉冲的光场强度)是否符合预设的稳定条件。
当光学相干计算装置中有至少一个回音壁微腔的输出脉冲的光场强度不符合预设的稳定条件时，说明脉冲输出强度还不够稳定，因此将返回执行步骤103，源脉冲激光器继续输出下一个时序脉冲组。
而当光学相干计算装置中的各个回音壁微腔的输出脉冲的光场强度都符合预设的稳定条件时，则说明各个回音壁微腔的脉冲输出强度已经稳定，因此可以继续执行步骤108，输出相应的结果。
在本发明的技术方案中，可以根据实际应用场景的需要，预先设置上述的稳定条件。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，所述稳定条件可以是：
对于一个回音壁微腔，当前周期中的任意一个时序脉冲输入至该回音壁微腔时，该回音壁微腔的第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度，与上一周期中的相对应的时序脉冲输入至该回音壁微腔时第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度之间的差值小于预设的阈值。
其中，上述的回音壁微腔的第一输出端可以是顺时针输出端，也可以是逆时针输出端。
举例来说，在本申请的一个具体实施例中，对于一个回音壁微腔，如果当前周期中的第1个时序脉冲输入至该回音壁微腔时，第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度，与上一周期中的第1个时序脉冲输入至该回音壁微腔时第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度之间的差值小于预设的阈值；
而且，当前周期中的第2个时序脉冲输入至该回音壁微腔时，第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度，与上一周期中的第2个时序脉冲输入至该回音壁微腔时第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度之间的差值也小于预设的阈值；
……；
而且，当前周期中的第m个时序脉冲输入至该回音壁微腔时，第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度，与上一周期中的第m个时序脉冲输入至该回音壁微腔时第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度之间的差值也小于预设的阈值；
则说明该回音壁微腔的脉冲输出强度符合了上述的稳定条件。
相反，如果当前周期中只要有一个时序脉冲输入至该回音壁微腔时，该回音壁微腔的第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度，与上一周期中的相对应的时序脉冲输入至该回音壁微腔时第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度之间的差值大于或等于预设的阈值，则说明该回音壁微腔的输出脉冲的光场强度不符合上述的稳定条件。
步骤108，根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的当前的模式值，将各个回音壁微腔的各个时序脉冲分成两组，并将分组结果作为计算结果。
在本发明的技术方案中，由于每个回音壁微腔的每个时序脉冲都分别对应于待处理的计算问题的一个节点，因此，每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值，都相当于所对应的待处理的计算问题的节点的取值。
所以，当光学相干计算装置中的各个回音壁微腔的输出脉冲的光场强度都符合预设的稳定条件时，则可以根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的当前的模式值，将各个回音壁微腔的各个时序脉冲分成两组，并将该分组结果作为光学相干计算装置的计算结果，该分组结果即为对应的待处理的计算问题的解。
例如，作为示例，在本申请的一个具体实施例中，假设光学相干计算装置中一共设置有10(n＝10)个回音壁微腔，而在同一个周期中，有10(m＝10)个时序脉冲，则10个回音壁微腔中一共有10×10＝100时序脉冲，分别对应于待处理的计算问题的100个节点。
其中，假设有10个时序脉冲对应的当前的模式值为第一模式值(例如，第一模式值可以为1，表示这10个时序脉冲时的回音壁微腔的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度大于逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度，可以简称为顺时针强)，而有90个时序脉冲对应的当前的模式值为第二模式值(例如，第二模式值可以为0，表示这90个时序脉冲时的回音壁微腔的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度小于逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度，可以简称为逆时针强)，则可以将具有第一模式值的10个时序脉冲(即顺时针强的时序脉冲)分为一组，将具有第二模式值的90个时序脉冲(即逆时针强的时序脉冲)分为另一组。此时，这两组的分组结果即为对应的待处理的计算问题的解，从而可以作为光学相干计算装置的计算结果输出。
因此，通过上述的步骤101～108，可以得到待处理的计算问题的解，并可以有效地提高光学相干计算装置的计算结果的准确性。
综上所述，在本发明的技术方案中，由于在时空复用的光学相干计算方法和装置中，先根据待处理的计算问题设置了光学相干计算装置，并在光学相干计算装置的矩阵计算模块中预先设置了耦合矩阵，且通过源脉冲激光器每隔一个预设的周期同时分别向每个回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给矩阵计算模块；随后，再根据每个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值，并将每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值发送给矩阵计算模块；接着，矩阵计算模块根据耦合矩阵以及各个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，可以计算得到各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值；然后，可以根据输出值，通过对应的可控脉冲激光器分别向对应的回音壁微腔的耦合器的两端输出具有预设时间间隔的等强度的m个时序脉冲，并使得所述可控脉冲激光器输出的m个时序脉冲与源脉冲激光器输出的下一个时序脉冲组中的m个时序脉冲同时输入至对应的回音壁微腔。重复上述步骤，直至光学相干计算装置中所有回音壁微腔的输出脉冲的光场强度都符合预设的稳定条件，最后再根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的当前的模式值，所有的回音壁微腔分成两组，并将分组结果作为光学相干计算装置的计算结果，从而可以计算得到待处理的计算问题的解，并有效地提高光学相干计算装置在待处理的计算问题求解过程中的准确性。
另外，在上述的方法和装置中，由于在同一个周期中可以对每一个回音壁微腔输出一个时序脉冲组，每个时序脉冲组具有m个时序脉冲，使得每个回音壁微腔的每个时序脉冲都对应于待处理的计算问题的一个节点，使用了n个回音壁微腔，并对每个回音壁微腔都进行了m次复用，因而进行了空间复用；而且，在同一时间，可以向n个回音壁微腔同时输出m个时序脉冲，因而也进行了时间复用，从而从整体上进行了时空复用，仅需使用n个回音壁微腔和m个时序脉冲，即可模拟具有n×m个节点的待处理的计算问题，从而可以大大提高光学相干计算装置的计算效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种时空复用的光学相干计算方法，其特征在于，该方法包括：
步骤A、根据待处理的计算问题设置光学相干计算装置；
步骤B、根据待处理的计算问题，在所述光学相干计算装置的矩阵计算模块中预先设置耦合矩阵；
步骤C、所述光学相干计算装置中的源脉冲激光器每隔一个预设的周期同时分别向所述光学相干计算装置中的每个回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给所述矩阵计算模块；其中，所述一个时序脉冲组中包括具有预设时间间隔的等强度的多个时序脉冲；
步骤D、所述矩阵计算模块根据每个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值；
步骤E、所述矩阵计算模块根据耦合矩阵以及各个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，计算得到各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值；
其中，对于每个回音壁微腔的每个时序脉冲，根据耦合矩阵确认与当前时序脉冲有关联的时序脉冲；
将有关联的各个时序脉冲的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将光场强度之和乘上预设的第一系数，作为当前时序脉冲时的顺时针输出端对应的输出值；将有关联的各个时序脉冲的逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将光场强度之和乘上预设的第二系数，作为当前时序脉冲时的逆时针输出端对应的输出值；
步骤F、根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值，通过对应的可控脉冲激光器分别向对应的回音壁微腔的耦合器的两端输出具有预设时间间隔的等强度的多个时序脉冲，并使得所述可控脉冲激光器输出的多个时序脉冲与源脉冲激光器输出的下一个时序脉冲组中的多个时序脉冲同时输入至对应的回音壁微腔；
步骤G、当所述光学相干计算装置中有至少一个回音壁微腔的输出脉冲的光场强度不符合预设的稳定条件时，返回执行步骤C；否则，执行步骤H；
步骤H、根据各个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的当前的模式值，将各个回音壁微腔的各个时序脉冲分成两组，并将分组结果作为计算结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
当启动所述光学相干计算装置时，所述光学相干计算装置中的源脉冲激光器所输出的时序脉冲激光的功率大于预设的阈值功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定每个回音壁微腔的每个时序脉冲对应的模式值包括：
将回音壁微腔的两个输出端分别标记为：顺时针输出端和逆时针输出端；
当顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度大于逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度时，将该回音壁微腔的当前时序脉冲对应的模式值记为第一模式值；
当顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度小于逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度时，将该回音壁微腔的当前时序脉冲对应的模式值记为第二模式值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述第一模式值为1，所述第二模式值为0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
当通过对应的可控脉冲激光器向一个回音壁微腔的耦合器的第一端输出第k个时序脉冲时，所述第k个时序脉冲的强度值为所述源脉冲激光器向该回音壁微腔输入第k个时序脉冲时的回音壁微腔的第一输出端对应的输出值；
当通过对应的可控脉冲激光器向一个回音壁微腔的耦合器的第二端输出第k个时序脉冲时，所述第k个时序脉冲的强度值为所述源脉冲激光器向该回音壁微腔输入第k个时序脉冲时的回音壁微腔的第二输出端对应的输出值；其中，所述k为大于0的整数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳定条件为：
对于一个回音壁微腔，当前周期中的任意一个时序脉冲输入至该回音壁微腔时，该回音壁微腔的第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度，与上一周期中的相对应的时序脉冲输入至该回音壁微腔时第一输出端所输出的输出脉冲的光场强度之间的差值小于预设的阈值。
7.一种时空复用的光学相干计算装置，其特征在于，该装置包括：源脉冲激光器、矩阵计算模块、可控脉冲激光器和多个微腔组件；
每个微腔组件均包括：分束器、耦合器、回音壁微腔和光电探测器；
所述源脉冲激光器与每个微腔组件中的分束器连接，用于每隔一个预设的周期同时分别向每个微腔组件中的回音壁微腔输出一个时序脉冲组，并将每个时序脉冲组的输出时间发送给所述矩阵计算模块；其中，所述时序脉冲组中包括具有预设时间间隔的等强度的多个时序脉冲；
所述分束器，用于将接收到的时序脉冲分别输出至其所在微腔组件中的耦合器的两端；
所述回音壁微腔位于所述耦合器的倏逝场范围内；
所述回音壁微腔的两个输出端分别与光电探测器的输入端连接；
所述光电探测器的输出端与所述矩阵计算模块的输入端连接；
为每一个微腔组件设置两个可控脉冲激光器，两个可控脉冲激光器的输入端分别与所述矩阵计算模块连接，两个可控脉冲激光器的输出端分别与对应的微腔组件中的耦合器的两端连接；
所述矩阵计算模块根据耦合矩阵以及各个回音壁微腔的两个输出端输出的每个输出脉冲的光场强度，计算得到各个回音壁微腔的每个时序脉冲时的两个输出端对应的输出值；
其中，对于每个回音壁微腔的每个时序脉冲，根据耦合矩阵确认与当前时序脉冲有关联的时序脉冲；
将有关联的各个时序脉冲的顺时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将光场强度之和乘上预设的第一系数，作为当前时序脉冲时的顺时针输出端对应的输出值；将有关联的各个时序脉冲的逆时针输出端输出的输出脉冲的光场强度相加，将光场强度之和乘上预设的第二系数，作为当前时序脉冲时的逆时针输出端对应的输出值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述耦合器为：棱镜、拉锥光纤或波导。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：
所述矩阵计算模块为现场可编程门阵列。
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