「伊辛機」：突破傳統、結合光電處理的新型計算機

博士後學者 Peter McMahon（左），訪問學者 Alireza Marandi 在測試基於光的新型計算機原型。

（圖片來源於: L.A. Cicero）

引言

未來10到25年，傳統計算機的處理能力似乎逼近極限。一種全新類型的結合光和電處理能力的計算機，由斯坦福大學的研究團隊開發成功，有望大大的節約成本，突破傳統計算機的極限。

研究簡介

未來10到25年，傳統計算機的處理能力似乎逼近極限。即使達到最大處理能力，傳統計算機也無法處理一些列的特殊問題，例如：組合許多變數，在很多可行解中尋找最優化的解決方案。

現在，一種全新類型的計算機混合光和電處理能力，在10月20日的《科學期刊》上發表，可以突破處理能力的限制，以解決這些問題。如果可以大規模生產，這種非傳統計算機可以為那些需要大量可行解的問題，提供更多的優化方案，從而降低成本。

應用物理方面的博士後學者、文章的合著者 Peter McMahon，評論道：

「某種意義上來說，這是第一種這種類型的機器，這個創意打開了在非傳統計算機領域研究的大門。這項開發帶來了很多很多問題，我們希望在未來幾年內，幾個研究小組將調查這種類型的機器，研究如何成功實現這種方案。」

旅行售貨員問題

這是一種特殊類型的問題，稱為「組合最優化問題」。傳統的計算機將很難解決這類問題。舉個例子來說，比如「旅行售貨員」問題，售貨員必須訪問一些列特定的城市，每個只去一次，然後返回第一個城市，並且售貨員需要採用最有效的路線。這個問題看上去很簡單，但是可能的路線數量，隨著城市增加而極具增加，這就是這個問題難點所在。

前斯坦福大學的博士後學者、這項研究的作者之一 Alireza Marandi 這麼評論：

「這些問題對於傳統的計算機、甚至超級計算機來說，都極具挑戰性。因為隨著問題複雜性增加，從某種程度上來說，它們需要很多時間來尋找所有的解決方案。這是真的，甚至在超級計算機的條件下，因為可能性的增長太快。」

對於「旅行售貨員」這樣的問題，放棄探索也許很簡單，但是解決這樣如此困難的優化問題，可能會對一些列廣泛的領域產生巨大影響，包括尋找運輸卡車的最優路徑、最小化無線網路的干擾、確定蛋白質如何摺疊。即使在這些領域取得小小的進展，也會節約大量的開支，這就是科學家花費很多精力設計演算法解決這些問題的原因。

伊辛機

斯坦福大學團隊開發的新型計算機稱為「伊辛機」，以描述磁場機制的數學模型命名。這種機器的工作方式，類似於一種人工磁體組成的可編程網路，如同一個真實的磁系統，每個磁鐵的狀態只能「向上」或者「向下」，傾向於在低能量狀態工作。

工作原理是這樣的：

如果磁鐵網路之間的鏈接可以被重新編程，以代表實際的問題，一旦它們設定了需要面對的最優化、低能量方向，解決方案則可以從它們的最終狀態推斷出來。在旅行售貨員的問題中，伊辛機中的每個人造磁鐵，代表在一個特殊路線中的城市位置。

然而，斯坦福大學的團隊並沒有使用網路中的磁鐵，而是使用了一種特殊類型的激光系統，稱為「簡併光學參量振蕩器 」，工作方式如下：

它一旦啟動後，代表「向上」或者「向下」的「自旋」。激光脈衝代表售貨員的旅行路線中的城市位置。在這個機器的早期版本中（發表在兩年之前），團隊成員提取了每個脈衝的一小部分，對其延時，並且可控地將延遲後脈衝的一部分與後繼脈衝相加。在旅行售貨員問題中，研究人員通過脈衝間的耦合，編程解決了城市之間的鏈接和距離。然後，機器通過測量脈衝的最終相位，嘗試尋找最佳解決方案。

之前提到的這一解決方案，存在的問題是以任意複雜的方式連接大量的脈衝。這是可行的，但是需要為每個脈衝增加一個可控的光學延時，這會增加成本並且難以實現。

大規模商用

最新的斯坦福大學伊辛機，是一個更加低成本和實用的版本，通過數字電子電路取代了可控光學延遲。這個電路模擬這些脈衝之間的光學連接來編程問題，而計算仍然由激光系統完成。

用於製造這種機器的所有材料，都是已經用於通信系統的現成元件。那麼，結合編程的簡便性，使得它易於大規模商用。斯坦福大學的機器目前能解決100個變數的問題，允許變數間以任意的方式連接，已經通過成千上萬次的測試，效果良好。

日本NNT的一個科研小組，通過向斯坦福大學的團隊諮詢，也設計了一個獨立版本的機器。他們的研究發表在《自然》雜誌上，位於斯坦福大學研究的旁邊。目前來說，伊辛機的處理組合優化問題的能力，仍然無法和傳統計算機相提並論。但是，它已經取得了迅速的進展，研究人員正在這項突破的基礎上尋找其他發現。

最後，Marandi 這麼說：

「在尋找代替傳統計算機的新型計算機方面，我認為這是一個令人興奮的探索。它可以推進我們解決那些十分棘手的計算問題。目前，我們設計了一種基於激光的計算機，可以解決這些問題中的一部分，並且取得了令人鼓舞的進展。」

參考資料

【1】http://news.stanford.edu/2016/10/20/stanford-researchers-create-new-special-purpose-computer/

【2】P. L. McMahon, A. Marandi, Y. Haribara, R. Hamerly, C. Langrock, S. Tamate, T. Inagaki, H. Takesue, S. Utsunomiya, K. Aihara, R. L. Byer, M. M. Fejer, H. Mabuchi, Y. Yamamoto.A fully-programmable 100-spin coherent Ising machine with all-to-all connections. Science, 2016; DOI: 10.1126/science.aah5178

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