1月31日，上海交大金賢敏團(tuán)隊在最新一期美國《科學(xué)》雜志子刊ScienceAdvances以“A Scalable Photonic Computer Solving the Subset Sum Problem”為題發(fā)表最新研究成果，提出了一種非馮諾依曼體系下的新型光子計算架構(gòu)，展示了在求解具有NP-Complete計算復(fù)雜度的子集和問題（Subset Sum Problem）上超越經(jīng)典電子計算機的潛力。這是一種結(jié)合了集成芯片、光子概念和非馮諾依曼計算架構(gòu)的光子計算機，可以實現(xiàn)NP-Complete難解問題的高速直接運算，而且物理尺度具有可擴展性。該項研究提供了“量子霸權(quán)”之外超越經(jīng)典電子計算機算力的新思路，光子計算機未來可期。

提到計算機，大多數(shù)人最先想到的可能是遍布在日常生活和生產(chǎn)中的電子計算機。回溯電子計算機的發(fā)展歷程，自從集成電路被發(fā)明以來，它的性能基本按照摩爾定律預(yù)測的趨勢日益劇增。不斷提升的集成度賦予了電子計算機越來越強大的計算能力，使人們可以更高效地處理問題。但近些年來，不斷有研究指出，摩爾定律將在不遠(yuǎn)的將來不再適用，電子計算機的進(jìn)一步發(fā)展將受到物理原理上的根本限制。這主要歸因于隨著高度集成化而來的“散熱問題”和“量子隧穿效應(yīng)”。

面對電子計算機的發(fā)展瓶頸，尋求潛在的新型計算方式是進(jìn)一步推進(jìn)人類計算能力上限的重要手段，量子計算、DNA計算，光計算等不斷被提出。2019年底,谷歌演示了53量子比特的量子計算機，通過求解隨機量子電路采樣這樣一個特定問題宣示了“量子霸權(quán)”或者稱量子優(yōu)越性，率先揭示了非馮諾依曼計算架構(gòu)的優(yōu)勢。金賢敏研究團(tuán)隊提出并演示了另一種可選擇的方案，不依賴脆弱的量子特性，而是主要借助單光子級可測等優(yōu)勢，同樣展示出了在特定計算問題上打敗經(jīng)典計算機的潛力，有望成為這場與經(jīng)典計算機算力競賽的有力競爭者。

研究團(tuán)隊在光子計算機上求解的特定問題稱為子集和問題（SSP），從計算復(fù)雜度來看，屬于NP-Complete問題，即NP問題中最難解的一種（NP問題是經(jīng)典計算機無法高效求解的一大類問題）。具體來說，隨著問題尺度的增加，相應(yīng)的解空間將呈指數(shù)趨勢增長。對于串行運算的經(jīng)典電子計算機而言，計算時間也將指數(shù)增長。在經(jīng)典計算機上難解的這一特點使得求解SSP可作為衡量新型計算架構(gòu)的計算能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，SSP和資源優(yōu)化配置問題緊密相關(guān)，求解SSP具有重要的實際意義，可被應(yīng)用于通信帶寬的分配，工廠生產(chǎn)線安排等實際場景中。

子集和問題的具體描述如下：給定一個包含N個元素的集合S，問在S的子集中是否存在一個和等于T的子集。比如說，對于集合{3,7,9,11}, 問是否存在一個子集的和等于20，那么答案是存在，且對應(yīng)的子集為{9,11}。顯然，所有可能子集的總數(shù)2N隨著集合的元素個數(shù)N的增大而指數(shù)增長。光子計算機的設(shè)計原理圖和實驗裝置金賢敏研究團(tuán)隊成功地將SSP映射到由三種基本結(jié)構(gòu)組成的三維集成光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中，并借助飛秒激光直寫技術(shù)刻寫在光子芯片內(nèi)部。當(dāng)光子被注入光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)時，計算過程由此被激活。光子作為計算載體，類似于經(jīng)典計算機中的電信號，在光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中演化，并行搜索所有可能的演化路徑來尋找解。不同的演化路徑對應(yīng)不同的元素組合，即子集。同時，光子的空間運動行為（水平或豎直）代表著元素是否被計入求和。所有路徑對應(yīng)的演化結(jié)果在光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的輸出端被同時讀取，根據(jù)演化結(jié)果便可直接給出問題的解。

研究人員發(fā)現(xiàn)，得益于光子計算機的并行運算方式，集成光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的緊湊性，以及光與生俱來的優(yōu)勢，包括超高的傳播速度，強抗干擾能力，超低的可被探測能量（即單個光子的能量，~10-19焦耳）等，SSP的求解得以被加速。對于由前N個質(zhì)數(shù)組成的集合而言，光子計算機求解SSP問題所消耗的時間遠(yuǎn)低于經(jīng)典電子計算機，并且這種領(lǐng)先優(yōu)勢隨著問題尺度N的增加而愈加明顯。光的優(yōu)勢在所提出的光子計算架構(gòu)中得以充分發(fā)揮，并成功被應(yīng)用于實現(xiàn)復(fù)雜問題的加速計算。與執(zhí)行傅立葉變換等特定任務(wù)的光計算機不同，光子計算機的集成芯片體系有利于SSP的大規(guī)模映射實現(xiàn)，而對于問題尺寸增加帶來的輸出信號分散變?nèi)鯁栴}，也因為單光子級可測的光子概念而有效解決，最終保證了光子計算機物理尺度具有可擴展性。SSP的具體例子的實驗結(jié)果量子計算、DNA計算、光計算、光子計算……，在新型計算方式百花齊放的今天，難以定論誰將是最終贏家，或各自在相關(guān)特定問題求解上各顯神通。無論如何，光子計算依據(jù)其獨有的特點和優(yōu)勢，都有望在擴展人類計算能力上扮演重要角色。如同對特定問題SSP的加速求解，在更多經(jīng)典電子計算機難以應(yīng)對的場景中，光子計算優(yōu)勢仍等待開發(fā)。未來，研究團(tuán)隊希望充分發(fā)掘光子計算機的可擴展性，通過構(gòu)建更大規(guī)模光子芯片和測量系統(tǒng)，向更大問題尺寸和算力邁進(jìn)。超越算力提升本身，研究團(tuán)隊也暢想一種混合計算機（Hybridcomputer），通過集成光子計算加速模塊和經(jīng)典電子計算機，實現(xiàn)可實用化的解決方案。

總結(jié)

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