利用3D集成光子学解决计算难题

随着技术的进步，传统电子计算机的局限性日益明显，尤其是在解决复杂的计算难题时。NP完全问题随着规模的扩大而呈指数增长，是计算机科学中最棘手的难题之一。这些问题对生物医学、交通运输和制造业等各个领域都有重大影响。为了寻求更有效的解决方案，研究人员正在探索传统计算方法的替代方案，而光学计算正成为一种有前途的途径。

据《先进光子学》报道，​​上海交通大学的一个研究团队在这一领域取得了进展，他们开发出一种可重构三维集成光子处理器，专门用于解决经典的NP完全问题子集和问题(SSP)。

研究人员利用一种名为飞秒激光直写技术的创新技术，构建了一个由1,449个标准化光学元件组成的光子芯片。该技术可以快速制作原型，并提供更大的设计灵活性，这对于解决SSP的复杂性至关重要。

子集和问题涉及确定特定子集的数字是否可以求和为给定目标。通过将此问题映射到光子处理器上，研究人员可以对光的行为进行编码以执行计算。处理器的运行方式是允许光束中的光子同时探索所有可能的路径，从而并行提供答案。这种设计不仅加快了计算速度，而且还保持了高精度——处理器能够以100%的可靠性解决SSP的不同实例，这证明了这一点。

这项技术的潜在应用范围不仅限于子集和问题。处理器的可重构特性可以适应光学神经网络和光子量子计算等任务，这表明光子系统的未来前景十分广阔。值得注意的是，与现有的电子处理器相比，这款新处理器的性能有所提高，尤其是在问题规模增大时，计算时间和效率方面的表现更佳。

这一进展标志着利用光的功能进行实际计算迈出了重要一步，为解决更大规模的计算难题提供了途径。随着研究人员继续探索光学计算，这一突破可能会重塑我们应对各种科学和工业领域复杂挑战的方式。