Фотонная машина Изинга: новый прорыв в сверхбыстрых вычислениях для сложных задач
Programmable 200 GOPS Hopfield-inspired photonic Ising machine
Канадские учёные создали программируемый фотонный вычислитель, работающий при комнатной температуре и способный решать оптимизационные задачи, недоступные для квантовых аналогов.
---
Недавно команда Бхавина Дж. Шастри из Королевского университета (Канада) сообщила о создании вдохновлённой сетями Хопфилда программируемой фотонной машины Изинга с производительностью 200 GOPS. Результаты исследования были опубликованы 17 декабря 2025 года в журнале Nature.
Машины Изинга представляют собой перспективный путь для решения NP-трудных задач, однако создание физической реализации, сочетающей масштабируемость, реконфигурируемость, высокую скорость и стабильность, остаётся сложной задачей. Квантовые отжигатели, такие как аппаратное обеспечение D-Wave, хотя и нацелены на решение задач комбинаторной оптимизации, требуют квадратичного роста числа кубитов с размером задачи для плотных графов, что ограничивает их масштабируемость.
Исследовательская группа предложила программируемую, стабильную машину Изинга, работающую при комнатной температуре на основе оптоэлектронных осцилляторов, для которой характерна линейная масштабируемость представления спинов. Вдохновлённая сетями Хопфилда, эта архитектура может решать полностью связанные задачи, содержащие до 256 спинов (65 536 связей); если задача обладает разреженностью, масштабируемость может превышать 41 000 спинов (более 205 000 связей). Система использует кольцевую структуру с циклическим временным кодированием, интегрирующую каскадные модуляторы на тонких плёнках ниобата лития, полупроводниковые оптические усилители и процессор цифровой обработки сигналов, демонстрируя потенциал более 200 гигаопераций в секунду в операциях со спин-спиновой связью и нелинейных вычислениях. Благодаря присущей высокой скорости вычислений, платформа реализует самую крупную конфигурацию спинов среди фотонных машин Изинга на базе оптоэлектронных осцилляторов.
Экспериментально продемонстрировано, что среди различных фотонных машин Изинга данная система достигла наилучшего качества решения задачи максимального разреза с произвольной топологией (для 2 000 и 20 000 спинов), а также получила основное состояние для задач цифрового разделения и свёртывания белков в решётке — двух эталонных задач, ранее не решённых фотонными вычислительными системами. Система использует собственную шумовую составляющую, генерируемую высокой скоростью передачи символов, для выхода из локальных минимумов и ускорения сходимости. В заключение, исследовательская группа показала, что внедрение технологий цифровой обработки сигналов из традиционной области оптической связи в оптические вычисления может значительно повысить скорость сходимости и качество решения, открывая новые горизонты для масштабируемых сверхбыстрых вычислений в сферах оптимизации, нейроморфной обработки и искусственного интеллекта для моделирования.
---
Ключевые выводы:
- Создана высокопроизводительная фотонная машина Изинга с линейным масштабированием. Новая система решает задачи с полностью связанными графами до 256 спинов, а для разреженных — более 41 000 спинов, демонстрируя линейную, а не квадратичную, зависимость от размера задачи.
- Достигнута рекордная скорость обработки для фотонных аналогов. Архитектура на основе оптоэлектронных осцилляторов показала потенциал производительности свыше 200 гигаопераций в секунду и работает при комнатной температуре.
- Система решает ранее недоступные для фотонных компьютеров задачи. Впервые для фотонной вычислительной системы получены решения для задач цифрового разделения и свёртывания белков в решётке, а также достигнуто лучшее качество решения задачи максимального разреза.
- Технологии оптической связи ускорили вычисления. Внедрение методов цифровой обработки сигналов из сферы оптических коммуникаций значительно повысило скорость сходимости и качество решения, открыв путь для новых гибридных архитектур.
