半導(dǎo)體所等研制出具有實用前景的可編程光電伊辛機
組合優(yōu)化問題廣泛存在于交通、金融、人工智能等領(lǐng)域，傳統(tǒng)計算機難以在有限時間內(nèi)高效求解。伊辛機作為一種新興計算范式，通過模擬伊辛模型的最小能量狀態(tài)來尋找最優(yōu)解，但其實際應(yīng)用仍受限于規(guī)模、穩(wěn)定性和可編程性。現(xiàn)有伊辛機大多面臨自旋數(shù)量少、耦合方式固定、運行穩(wěn)定性不足等問題，難以處理高精度、大規(guī)模的實際問題。交通優(yōu)化等場景涉及成千上萬個變量，對計算精度和穩(wěn)定性提出了極高要求。
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所李明研究員團隊基于光電參量振蕩器，將自旋耦合從光域轉(zhuǎn)換至微波域，結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)高精度任意耦合，成功研制出具備4096個自旋、室溫穩(wěn)定運行的大規(guī)模可編程光電伊辛機（圖1）。該樣機是研究團隊與其科技成果轉(zhuǎn)化成立的產(chǎn)業(yè)化公司共同開發(fā)的成果。
圖1 光電伊辛機（OEIM）的實驗原理圖
該光電伊辛機實現(xiàn)了高達4096個自旋的并行計算能力，支持自旋之間的任意耦合，突破了傳統(tǒng)計算架構(gòu)的規(guī)模限制。系統(tǒng)在室溫下即可穩(wěn)定運行，且最長穩(wěn)定振蕩時間高達5.5小時，表現(xiàn)出良好的實用性與環(huán)境適應(yīng)性。在求解最大割問題時，其計算速度較傳統(tǒng)模擬退火算法提升10倍（圖2），且在處理高密度圖問題時，計算時間未隨問題復(fù)雜度顯著增加。
圖2 光電伊辛機（紅線）與模擬退火算法（藍線）求解I4096最大割問題的割值
隨時間演化
為驗證系統(tǒng)在實際場景中的效能，團隊基于北京市西二環(huán)真實交通數(shù)據(jù)（1200輛車）構(gòu)建了包含485個自旋的優(yōu)化模型。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)僅用2.71毫秒即完成優(yōu)化，比模擬退火算法快三個數(shù)量級，有效改善了交通擁堵狀況（圖3），這驗證了其在解決組合優(yōu)化問題方面的潛力。研究團隊與其孵化成立的產(chǎn)業(yè)化實體緊密協(xié)作，已研發(fā)出核心零部件、原型機及配套云平臺等多形態(tài)產(chǎn)品。
圖3 真實交通多方案優(yōu)化與熱力圖對比。a，光電伊辛機（紅點）與模擬退火算法（藍點）多次求解的計算時間與伊辛能量對比。b-d，優(yōu)化前、光電伊辛機優(yōu)化后（2.7 ms）及模擬退火算法優(yōu)化后（6.46 s）的交通熱力圖。
該成果以“Programmable optoelectronic Ising machine for optimization of real-world problems”為題，發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）。半導(dǎo)體所胡哲文博士和博士生任晏伯為論文第一作者，李明研究員為論文通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃資助項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02100-9
