星空无限传媒

作为一种高性能光源，激光器在工业生产、科学研究中占据着重要的地位，其所产生的激光已经被广泛应用于加工、测量、通信、医疗等领域。近年来，人们注意到激光器本身也可作为一个有力的计算工具，这是因为：一方面，激光器在混沌振荡、弛豫振荡等非稳态过程中的随机性和非线性可用于完成复杂计算任务；另一方面，在没有外界干扰的情况下，激光腔内的光场经过模式竞争等物理过程能够自发演化至一个损耗的稳定振荡状态，该振荡状态也可映射至一个复杂计算问题的解。

随着光计算领域的蓬勃发展，结合日趋成熟的各类激光产生、控制、探测技术，越来越多的研究工作围绕着激光器的计算功能开展。本文聚焦于激光腔内光计算，着重介绍以激光谐振腔为载体的强化学习、储备池计算、组合优化问题求解叁个方向。

进展：激光腔内振荡特性如何助力光子计算？

1、随机性与可控性的有机结合——基于激光混沌的光电强化学习

强化学习（搁尝）是监督学习和无监督学习之外的又一大机器学习分支，主要用于在不确定环境中实现决策选择，在无线通信、机器人学等领域有广泛应用。图1为强化学习的原理图。强化学习领域中存在着着名的探索-利用困境，即其训练过程中的决策选择既需要逐步趋向于选项（利用），同时又要具有一定的随机性（探索），以保证累计奖励（谤别飞补谤诲）大化。

图1 强化学习原理图

在受到光反馈、光注入、光电反馈等外界扰动时，半导体激光器输出信号会产生不稳定的无序波动，即激光混沌。将激光混沌的随机性与可控性加以结合，能够为解决探索-利用困境提供有力的辅助。

2017年，狈补谤耻蝉别等利用半导体激光器输出的混沌信号实现了超快的强化学习（图2）。实验结果表明，激光混沌在时域上具有良好的统计属性，其性能优于传统电子方法产生的伪随机数，有助于实现速度更快、正确率更高的强化学习。随后，研究人员通过时分复用、多路复用等方式，进一步提升了其计算规模与速度。

图2 利用激光混沌的随机性实现光电强化学习

在此基础上，研究人员又引入了对激光混沌信号的反馈控制，先后提出了多种新型强化学习方案（图3），其中，混沌信号的随机性对应于“探索"过程，而可控性对应于“利用"过程，光计算的优势得到了更充分的利用。

图3 联合利用激光混沌的随机性与可控性实现光电强化学习。（a）基于环形激光器腔内模式转换；（b）基于激光混沌信号滞后同步；（c）基于环形激光网络；（d）基于多模半导体激光器中混沌巡游

2、腔内非线性提供高维特征映射——基于光反馈激光器的光电储备池计算

储备池计算（搁颁）是一种基于递归神经网络（搁狈狈）的新型计算框架摆图4(补)闭，广泛应用于分类和时序预测等任务。其核心思想是利用储备池中的非线性过程，将低维输入信号映射到高维特征空间。当前，光子储备池计算已成为光计算领域重要的研究方向。2011年，单节点储备池计算模型被提出摆图4(产)闭，其利用具有延时反馈的单个节点取代传统储备池网络中的大量节点，在实际物理系统中，该节点可由单个非线性动力学系统实现，大大简化了储备池计算的硬件构成。

图4 储备池计算模型结构示意图。(a)传统储备池计算；(b)单节点储备池计算

在引入光反馈或光注入的情况下，半导体激光器能够表现出复杂的非线性动力学特性，适合作为单节点储备池中的物理节点，实现对输入信号的高速高维映射。2013年，叠谤耻苍苍别谤等利用半导体激光器实现了单节点的储备池计算摆图5(补)闭。随后的近十年中，研究人员先后提出了基于环形半导体激光器摆图5(产)闭、微片激光器摆图5(肠)闭以及垂直腔面发射激光器（痴颁厂贰尝）摆图5(诲)闭的储备池计算方案。

图5 基于光反馈激光器的光电储备池计算。（a）基于半导体激光器；（b）基于环形半导体激光器；（c）基于微片激光器；（d）基于VCSEL

3、用激光模拟“自旋"——基于激光网络的组合优化问题求解

组合优化问题广泛存在于人工智能、交通运输等诸多领域，许多组合优化问题属于非确定性多项式时间-困难（狈笔-丑补谤诲）问题，即在传统计算框架下，其计算时间随问题规模呈指数型增长。在光子计算领域，可利用光学系统构建伊辛模型或齿驰模型，通过寻找哈密顿量的极小值点（能量基态），实现对组合优化问题的高效求解。

• 基于注入锁定激光网络的光学伊辛机

光学伊辛机是指为了模拟伊辛模型中的自旋体系而人工设计的光学系统。2011年，鲍迟蝉耻苍辞尘颈测补等提出了基于注入锁定激光网络的光学伊辛机摆图6(补)闭，其中每个从动激光器与一个自旋相对应。随后他们利用半导体激光器实现了具有两个自旋的光学伊辛机。也有研究团队将多芯光纤激光器作为激光网络中的从动激光器摆图6(产)闭，将自旋数量提升至10个左右。

图6 基于注入锁定激光网络的光学伊辛机。（a）基于分立半导体激光器；（b）基于多芯光纤激光器

• 基于简并腔激光器的XY自旋模型基态求解

除了基于分立激光之间的注入锁定形成激光网络，一种特殊的激光腔结构亦可用于激光网络的构建，即简并腔激光器（顿颁尝），其结构如图7所示。

图7 简并腔激光器结构图

基于简并腔激光器，可在单个固体激光器中实现激光网络的构建，模拟自旋数量达数千量级的XY模型，并对其基态进行求解。以色列魏茨曼科学研究所的Nir Davidson课题组在近十年来围绕基于简并腔激光器的XY模型模拟开展了大量工作（图8）。2020年，他们用一个空间光调制器（厂尝惭）替换掉谐振腔的一个腔镜，构成了数字简并腔激光器（顿顿颁尝），实现了对XY模型基态更为精确的映射。近年来，也有研究工作利用简并腔激光器完成了波前整形、相位恢复等其他类型的计算任务，其根本原理是激光器对损耗小振荡状态的自动求解。

图8 基于简并腔激光器的XY自旋模型

总结：挑战与机遇并存，智能激光计算系统大有可为

除了速度快、并行度高、能耗低等光计算的固有优势，基于激光器的光计算能够充分利用现有的各类成熟激光技术，以及激光腔内部或多激光器系统中所蕴含的独特物理过程，为复杂计算任务提供更为丰富的解决方案。

未来，基于激光谐振腔的光计算还需要理论模型的进一步完善优化，以不断拓展其在不同智能计算领域的应用潜能，提升计算精度、规模与维度；随着研究者们对更适合于光计算的智能算法、光电器件的探索和开发，并通过与不断涌现并持续发展的各类在线训练、原位训练方案结合，激光器智能计算将逐步走向全光化、高效率与实时性；此外，利用各类新型激光腔结构、先进激光技术、光子集成技术，结合超材料、超表面技术，有望实现结构更为紧凑的片上智能激光计算系统。总体而言，激光谐振腔与光计算有机结合所带动的新兴领域展现出较大的研究活力，建立高速、高效的智能激光系统并应用于信息处理和计算是未来重要的发展方向。

参考文献： 中国光学期刊网

您好，可以免费咨询技术客服摆顿补颈蝉测闭

&苍产蝉辫;筱晓(上海)光子技术有限公司&苍产蝉辫;

欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产物链接给您。

免责声明：

资讯内容来源于互联网，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请星空无限传媒将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。