作為一種高性能光源，激光器在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中占據(jù)著重要的地位，其所產(chǎn)生的激光已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于加工、測(cè)量、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域。近年來(lái)，人們注意到激光器本身也可作為一個(gè)有力的計(jì)算工具，這是因?yàn)椋阂环矫妫す馄髟诨煦缯袷帯⒊谠フ袷幍确欠€(wěn)態(tài)過(guò)程中的隨機(jī)性和非線性可用于完成復(fù)雜計(jì)算任務(wù)；另一方面，在沒(méi)有外界干擾的情況下，激光腔內(nèi)的光場(chǎng)經(jīng)過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)等物理過(guò)程能夠自發(fā)演化至一個(gè)損耗的穩(wěn)定振蕩狀態(tài)，該振蕩狀態(tài)也可映射至一個(gè)復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題的解。

隨著光計(jì)算領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，結(jié)合日趨成熟的各類(lèi)激光產(chǎn)生、控制、探測(cè)技術(shù)，越來(lái)越多的研究工作圍繞著激光器的計(jì)算功能開(kāi)展。本文聚焦于激光腔內(nèi)光計(jì)算，著重介紹以激光諧振腔為載體的強(qiáng)化學(xué)習(xí)、儲(chǔ)備池計(jì)算、組合優(yōu)化問(wèn)題求解三個(gè)方向。

進(jìn)展：激光腔內(nèi)振蕩特性如何助力光子計(jì)算？

1、隨機(jī)性與可控性的有機(jī)結(jié)合——基于激光混沌的光電強(qiáng)化學(xué)習(xí)

強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）是監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)之外的又一大機(jī)器學(xué)習(xí)分支，主要用于在不確定環(huán)境中實(shí)現(xiàn)決策選擇，在無(wú)線通信、機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。圖1為強(qiáng)化學(xué)習(xí)的原理圖。強(qiáng)化學(xué)習(xí)領(lǐng)域中存在著著名的探索-利用困境，即其訓(xùn)練過(guò)程中的決策選擇既需要逐步趨向于選項(xiàng)（利用），同時(shí)又要具有一定的隨機(jī)性（探索），以保證累計(jì)獎(jiǎng)勵(lì)（reward）大化。

圖1 強(qiáng)化學(xué)習(xí)原理圖

在受到光反饋、光注入、光電反饋等外界擾動(dòng)時(shí)，半導(dǎo)體激光器輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的無(wú)序波動(dòng)，即激光混沌。將激光混沌的隨機(jī)性與可控性加以結(jié)合，能夠?yàn)榻鉀Q探索-利用困境提供有力的輔助。

2017年，Naruse等利用半導(dǎo)體激光器輸出的混沌信號(hào)實(shí)現(xiàn)了超快的強(qiáng)化學(xué)習(xí)（圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光混沌在時(shí)域上具有良好的統(tǒng)計(jì)屬性，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)電子方法產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)速度更快、正確率更高的強(qiáng)化學(xué)習(xí)。隨后，研究人員通過(guò)時(shí)分復(fù)用、多路復(fù)用等方式，進(jìn)一步提升了其計(jì)算規(guī)模與速度。

圖2 利用激光混沌的隨機(jī)性實(shí)現(xiàn)光電強(qiáng)化學(xué)習(xí)

在此基礎(chǔ)上，研究人員又引入了對(duì)激光混沌信號(hào)的反饋控制，先后提出了多種新型強(qiáng)化學(xué)習(xí)方案（圖3），其中，混沌信號(hào)的隨機(jī)性對(duì)應(yīng)于“探索"過(guò)程，而可控性對(duì)應(yīng)于“利用"過(guò)程，光計(jì)算的優(yōu)勢(shì)得到了更充分的利用。

圖3 聯(lián)合利用激光混沌的隨機(jī)性與可控性實(shí)現(xiàn)光電強(qiáng)化學(xué)習(xí)。（a）基于環(huán)形激光器腔內(nèi)模式轉(zhuǎn)換；（b）基于激光混沌信號(hào)滯后同步；（c）基于環(huán)形激光網(wǎng)絡(luò)；（d）基于多模半導(dǎo)體激光器中混沌巡游

2、腔內(nèi)非線性提供高維特征映射——基于光反饋激光器的光電儲(chǔ)備池計(jì)算

儲(chǔ)備池計(jì)算（RC）是一種基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）的新型計(jì)算框架[圖4(a)]，廣泛應(yīng)用于分類(lèi)和時(shí)序預(yù)測(cè)等任務(wù)。其核心思想是利用儲(chǔ)備池中的非線性過(guò)程，將低維輸入信號(hào)映射到高維特征空間。當(dāng)前，光子儲(chǔ)備池計(jì)算已成為光計(jì)算領(lǐng)域重要的研究方向。2011年，單節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)備池計(jì)算模型被提出[圖4(b)]，其利用具有延時(shí)反饋的單個(gè)節(jié)點(diǎn)取代傳統(tǒng)儲(chǔ)備池網(wǎng)絡(luò)中的大量節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際物理系統(tǒng)中，該節(jié)點(diǎn)可由單個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了儲(chǔ)備池計(jì)算的硬件構(gòu)成。

圖4 儲(chǔ)備池計(jì)算模型結(jié)構(gòu)示意圖。(a)傳統(tǒng)儲(chǔ)備池計(jì)算；(b)單節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)備池計(jì)算

在引入光反饋或光注入的情況下，半導(dǎo)體激光器能夠表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)特性，適合作為單節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)備池中的物理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的高速高維映射。2013年，Brunner等利用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了單節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)備池計(jì)算[圖5(a)]。隨后的近十年中，研究人員先后提出了基于環(huán)形半導(dǎo)體激光器[圖5(b)]、微片激光器[圖5(c)]以及垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）[圖5(d)]的儲(chǔ)備池計(jì)算方案。

圖5 基于光反饋激光器的光電儲(chǔ)備池計(jì)算。（a）基于半導(dǎo)體激光器；（b）基于環(huán)形半導(dǎo)體激光器；（c）基于微片激光器；（d）基于VCSEL

3、用激光模擬“自旋"——基于激光網(wǎng)絡(luò)的組合優(yōu)化問(wèn)題求解

組合優(yōu)化問(wèn)題廣泛存在于人工智能、交通運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域，許多組合優(yōu)化問(wèn)題屬于非確定性多項(xiàng)式時(shí)間-困難（NP-hard）問(wèn)題，即在傳統(tǒng)計(jì)算框架下，其計(jì)算時(shí)間隨問(wèn)題規(guī)模呈指數(shù)型增長(zhǎng)。在光子計(jì)算領(lǐng)域，可利用光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建伊辛模型或XY模型，通過(guò)尋找哈密頓量的極小值點(diǎn)（能量基態(tài)），實(shí)現(xiàn)對(duì)組合優(yōu)化問(wèn)題的高效求解。

• 基于注入鎖定激光網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)伊辛機(jī)

光學(xué)伊辛機(jī)是指為了模擬伊辛模型中的自旋體系而人工設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)。2011年，Utsunomiya等提出了基于注入鎖定激光網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)伊辛機(jī)[圖6(a)]，其中每個(gè)從動(dòng)激光器與一個(gè)自旋相對(duì)應(yīng)。隨后他們利用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了具有兩個(gè)自旋的光學(xué)伊辛機(jī)。也有研究團(tuán)隊(duì)將多芯光纖激光器作為激光網(wǎng)絡(luò)中的從動(dòng)激光器[圖6(b)]，將自旋數(shù)量提升至10個(gè)左右。

圖6 基于注入鎖定激光網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)伊辛機(jī)。（a）基于分立半導(dǎo)體激光器；（b）基于多芯光纖激光器

• 基于簡(jiǎn)并腔激光器的XY自旋模型基態(tài)求解

除了基于分立激光之間的注入鎖定形成激光網(wǎng)絡(luò)，一種特殊的激光腔結(jié)構(gòu)亦可用于激光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，即簡(jiǎn)并腔激光器（DCL），其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 簡(jiǎn)并腔激光器結(jié)構(gòu)圖

基于簡(jiǎn)并腔激光器，可在單個(gè)固體激光器中實(shí)現(xiàn)激光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，模擬自旋數(shù)量達(dá)數(shù)千量級(jí)的XY模型，并對(duì)其基態(tài)進(jìn)行求解。以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Nir Davidson課題組在近十年來(lái)圍繞基于簡(jiǎn)并腔激光器的XY模型模擬開(kāi)展了大量工作（圖8）。2020年，他們用一個(gè)空間光調(diào)制器（SLM）替換掉諧振腔的一個(gè)腔鏡，構(gòu)成了數(shù)字簡(jiǎn)并腔激光器（DDCL），實(shí)現(xiàn)了對(duì)XY模型基態(tài)更為精確的映射。近年來(lái)，也有研究工作利用簡(jiǎn)并腔激光器完成了波前整形、相位恢復(fù)等其他類(lèi)型的計(jì)算任務(wù)，其根本原理是激光器對(duì)損耗小振蕩狀態(tài)的自動(dòng)求解。

圖8 基于簡(jiǎn)并腔激光器的XY自旋模型

總結(jié)：挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，智能激光計(jì)算系統(tǒng)大有可為

除了速度快、并行度高、能耗低等光計(jì)算的固有優(yōu)勢(shì)，基于激光器的光計(jì)算能夠充分利用現(xiàn)有的各類(lèi)成熟激光技術(shù)，以及激光腔內(nèi)部或多激光器系統(tǒng)中所蘊(yùn)含的獨(dú)特物理過(guò)程，為復(fù)雜計(jì)算任務(wù)提供更為豐富的解決方案。

未來(lái)，基于激光諧振腔的光計(jì)算還需要理論模型的進(jìn)一步完善優(yōu)化，以不斷拓展其在不同智能計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，提升計(jì)算精度、規(guī)模與維度；隨著研究者們對(duì)更適合于光計(jì)算的智能算法、光電器件的探索和開(kāi)發(fā)，并通過(guò)與不斷涌現(xiàn)并持續(xù)發(fā)展的各類(lèi)在線訓(xùn)練、原位訓(xùn)練方案結(jié)合，激光器智能計(jì)算將逐步走向全光化、高效率與實(shí)時(shí)性；此外，利用各類(lèi)新型激光腔結(jié)構(gòu)、先進(jìn)激光技術(shù)、光子集成技術(shù)，結(jié)合超材料、超表面技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更為緊湊的片上智能激光計(jì)算系統(tǒng)。總體而言，激光諧振腔與光計(jì)算有機(jī)結(jié)合所帶動(dòng)的新興領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的研究活力，建立高速、高效的智能激光系統(tǒng)并應(yīng)用于信息處理和計(jì)算是未來(lái)重要的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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