本公開(kāi)涉及微波光子學(xué)，更具體地，涉及高階耦合伊辛機(jī)及組合優(yōu)化問(wèn)題的解決方法。
背景技術(shù)：
1、組合優(yōu)化問(wèn)題在眾多領(lǐng)域如物流規(guī)劃、資源分配和電路設(shè)計(jì)中有著廣泛應(yīng)用。三元可滿足性問(wèn)題（3-satisfiability，簡(jiǎn)稱3sat）問(wèn)題是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)典型組合優(yōu)化難題，隨著問(wèn)題規(guī)模的增大，傳統(tǒng)的基于馮諾依曼架構(gòu)的計(jì)算機(jī)在處理這類問(wèn)題時(shí)，計(jì)算復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間和資源消耗巨大。
2、伊辛機(jī)是一種基于伊辛模型的計(jì)算架構(gòu)，起源于統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中的伊辛模型。它通過(guò)模擬自旋系統(tǒng)的能量狀態(tài)來(lái)求解組合優(yōu)化問(wèn)題。近年來(lái)，隨著量子計(jì)算和類腦計(jì)算的發(fā)展，伊辛機(jī)作為一種高效的計(jì)算工具，已被廣泛應(yīng)用于圖劃分、機(jī)器學(xué)習(xí)和物流優(yōu)化等領(lǐng)域。
3、傳統(tǒng)伊辛機(jī)通?；诙A耦合，即僅考慮相鄰自旋之間的相互作用。然而，許多實(shí)際問(wèn)題（如高維網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題）涉及更高階的相互作用，這使得傳統(tǒng)二階耦合伊辛機(jī)難以高效求解此類問(wèn)題。
4、為了解決高階相互作用問(wèn)題，學(xué)術(shù)界提出了多種改進(jìn)方案。例如，通過(guò)引入輔助變量將高階項(xiàng)降階為二階項(xiàng)，但這種方法增加了計(jì)算復(fù)雜度和硬件實(shí)現(xiàn)難度。此外，現(xiàn)有技術(shù)中缺乏一種能夠直接實(shí)現(xiàn)高階耦合的伊辛機(jī)架構(gòu)，這限制了計(jì)算效率和精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本公開(kāi)提供了高階耦合伊辛機(jī)及組合優(yōu)化問(wèn)題的解決方法，可解決上述至少一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。
2、本公開(kāi)一方面提供了一種高階耦合伊辛機(jī)，包括：分束單元，被配置為將攜帶有自旋狀態(tài)信息的第一光信號(hào)分束為第二光信號(hào)和第二光信號(hào)；第一自旋存儲(chǔ)單元，被配置為存儲(chǔ)第二光信號(hào)；第一光電轉(zhuǎn)換器單元，被配置為將第二光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換處理；第一信號(hào)處理單元，被配置為將經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的第二光信號(hào)進(jìn)行放大、衰減和濾波處理，輸出第一電信號(hào)；可編程單元，被配置為基于預(yù)先存儲(chǔ)的n階耦合張量，對(duì)第一電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以提取自旋狀態(tài)信息，并對(duì)自旋狀態(tài)信息進(jìn)行n階自旋耦合計(jì)算，以輸出自旋耦合信號(hào)，其中，n為大于等于3的整數(shù)。
3、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，還包括：第一混頻單元，被配置為將自旋耦合信號(hào)與微波信號(hào)進(jìn)行混頻以輸出第二電信號(hào)。根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，還包括：處理單元，被配置為將第三光信號(hào)進(jìn)行第一預(yù)處理，輸出第三電信號(hào)；反饋模塊，被配置為將第二電信號(hào)與第三電信號(hào)進(jìn)行耦合和第二預(yù)處理，輸出反饋信號(hào)。
4、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，反饋模塊還被配置為：將第二電信號(hào)與第三電信號(hào)進(jìn)行耦合和光電轉(zhuǎn)換處理，輸出耦合光信號(hào)；將耦合光信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出混頻光信號(hào)；將混頻光信號(hào)進(jìn)行放大、衰減和濾波處理輸出反饋信號(hào)。
5、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，還包括：光調(diào)制模塊，被配置為將帶有自旋狀態(tài)的電信號(hào)加載到光載波上，輸出攜帶自旋狀態(tài)信息的第一光信號(hào)。
6、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，光調(diào)制模塊還被配置為：將接收的反饋信號(hào)與第一光信號(hào)進(jìn)行耦合和調(diào)制處理以輸出更新的第一光信號(hào)，并將更新的第一光信號(hào)輸入分束單元中。
7、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，第一光信號(hào)和更新的第一光信號(hào)的相位為0或π。
8、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，光調(diào)制模塊包括：第一電光調(diào)制單元，被配置為將帶有自旋狀態(tài)的電信號(hào)加載到光載波上，輸出攜帶自旋狀態(tài)信息的第一光信號(hào)；耦合單元，被配置為將反饋信號(hào)和第一光信號(hào)進(jìn)行耦合輸出第四光信號(hào)；第二電光調(diào)制單元，被配置為將第四光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理輸出更新的第一光信號(hào)，并將更新的第一光信號(hào)輸入分束單元中。
9、本公開(kāi)第二方面提供了一種基于高階耦合伊辛機(jī)的組合優(yōu)化問(wèn)題的解決方法，包括：將組合優(yōu)化問(wèn)題映射到高階耦合伊辛機(jī)對(duì)應(yīng)的哈密頓量上，其中，哈密頓量定義為：
10、
11、其中，h為哈密頓量，表示不同自旋之間的耦合強(qiáng)度，s為自旋方向，取值為-1或1；求解哈密頓量的最小值，得到組合優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。
12、根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例提供的高階耦合伊辛機(jī)，至少具備以下有益效果：
13、通過(guò)將接收的攜帶有自旋狀態(tài)信息的第一光信號(hào)進(jìn)行分束、存儲(chǔ)、光電轉(zhuǎn)換以及信號(hào)處理以輸出第一電信號(hào)，基于預(yù)先存儲(chǔ)的至少三階及以上的耦合張量，對(duì)第一電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以提取自旋狀態(tài)信息，并對(duì)自旋狀態(tài)信息進(jìn)行至少三階及以上的自旋耦合計(jì)算。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本公開(kāi)的實(shí)施例直接支持三階及以上耦合張量，能夠準(zhǔn)確模擬復(fù)雜系統(tǒng)中的多體相互作用，解決了傳統(tǒng)二階耦合伊辛機(jī)難以處理高維網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題的局限。并且通過(guò)高效的光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和高階耦合計(jì)算，大幅提高了計(jì)算效率和結(jié)果精度，減少了計(jì)算時(shí)間和資源消耗。
1.一種高階耦合伊辛機(jī)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高階耦合伊辛機(jī)，其特征在于，還包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高階耦合伊辛機(jī)，其特征在于，還包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高階耦合伊辛機(jī)，其特征在于，所述反饋模塊還被配置為：
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高階耦合伊辛機(jī)，其特征在于，還包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高階耦合伊辛機(jī)，其特征在于，所述光調(diào)制模塊還被配置為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高階耦合伊辛機(jī)，其特征在于，所述第一光信號(hào)和所述更新的第一光信號(hào)的相位為0或π。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高階耦合伊辛機(jī)，其特征在于，所述光調(diào)制模塊包括：
9.一種基于權(quán)利要求1~8任意一項(xiàng)所述的高階耦合伊辛機(jī)的組合優(yōu)化問(wèn)題的解決方法，其特征在于，包括：