Coherent Ising Machine Based on Polarization Symmetry Breaking in a Driven Kerr Resonator
本文提出并实验演示了一种基于光纤克尔谐振器中自发偏振对称性破缺的新型相干伊辛机，利用偏振编码自旋态实现稳健的强度读出，并借助非线性与拓扑的协同作用保障系统对称性，实现长达一小时的连续高速运行，为提升相干光学伊辛机的性能与稳定性开辟了新路径。
2024-11-24 physics.optics
Observing a Phase Transition in a Coherent Ising Machine
相干伊辛机（CIM）是已知的提供低能量状态的伊辛模型。在这里，我们研究了CIM模拟二维方形晶格伊辛模型热力学性质的效果。假设由CIM采样的自旋集可以看作是一个正则系综，我们用极大似然估计方法估计了简并光参量振荡器脉冲所代表的自旋的有效温度。与所获得的温度，我们证实，与CIM获得的热力学量表现出相变的行为，更好地匹配的分析和数值结果比平均场。
2023-03-02 cond-mat.stat-mech physics.optics
Coherent LQG Control, Free-Carrier Oscillations, Optical Ising Machines and Pulsed OPO Dynamics
广义上讲，这篇论文是关于非线性光学、量子力学和计算的。更具体地说，它涵盖了四个主要主题：相干LQG控制，自由载波振荡，光学伊辛机和脉冲OPO动力学。将它们联系在一起的是一种称为SLH模型的开放量子系统理论，我将在第1-2章介绍它。SLH模型是通过玻色子场相互作用的开放量子系统的一般框架，并且是本文中发展的量子线路理论的基础。相干LQG控制将在第3-4章中讨论，其中我证明了相干反馈优于基于测量的反馈，用于某些线性二次高斯（LQG）问题，并通过前者同时利用两个光求积来解释这种差异。第五章讨论了量子光网络的半经典截断维格纳技术，然后深入讨论了具有自由载流子非线性的系统中的量子噪声（第六章），与克尔非线性的比较，以及基于极限环和放大的模拟计算的潜在应用（第七至八章）。基于光学参量振荡器（OPO）的伊辛机将在第9-10章中讨论，前者侧重于OPO的大型一维和二维网络，后者侧重于单个OPO在超快、同步泵浦状态下的动力学。第十一章将讨论硅光子波导的光学特性和设计考虑.
2016-08-26 nlin.PS physics.optics quant-ph
Effective implementation of $l_0$-Regularised Compressed Sensing with Chaotic-Amplitude-Controlled Coherent Ising Machines
本研究针对现有开环相干伊辛机混合系统易陷入局部极小值的问题，提出带混沌幅度控制的闭环相干伊辛机用于$l_0$正则化压缩感知，经人工和磁共振图像测试，相比开环系统精度更高、适用范围更广。
2023-02-24 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.optics
Experimental investigation of performance differences between Coherent Ising Machines and a quantum annealer
物理退火系统提供了启发式的方法来解决NP难伊辛优化问题。在这里，我们研究了两种类型的退火机的性能-由D-Wave Systems建造的商用量子退火机和基于光学参量振荡器网络的测量反馈相干伊辛机（CIM）-两类问题，Sherrington-Kirkpatrick（SK）模型和MAX-CUT。D-Wave量子退火器在3度正则图上的性能优于MAX-CUT上的CIM。然而，在更密集的问题上，我们观察到对于固定退火时间，量子退火器（$\exp(-α_\textrm{DW} N^2)$）相对于CIM（$\exp(-α_\textrm{CIM} N)$）的指数惩罚，在SK模型和50%边缘密度MAX-CUT上，其中系数$α_\textrm{CIM}$和$α_\textrm{DW}$是问题类相关的。在具有超过$50$顶点的实例中，CIM和D波退火机之间存在几个数量级的解时间差异。最佳退火时间的分析也是一致的一个显着的预期性能差异。稀疏连接的D-Wave机器和测量反馈促进的CIM的全对全连接之间的性能差异为增加量子退火机的连接性的努力提供了强有力的实验支持。
2019-05-24 cs.ET physics.optics quant-ph
Coherent Ising machines with error correction feedback
一个非平衡的开放耗散神经网络，如一个相干伊辛机的基础上相互耦合的光学参量振荡器，已被提出和证明作为一种新的计算机器硬组合优化问题。然而，在先前提出的方法中存在两个挑战：（1）机器可能被局部最小值所捕获，局部最小值随着问题大小呈指数级增加，以及（2）由于振荡器幅度异质性，机器无法将目标哈密顿量正确映射到神经网络的损失景观上。这两种方法都导致错误的解决方案，而不是正确的答案。在本文中，我们表明，它是可能的，部分地克服这两个问题，但同时通过引入错误检测和纠正反馈机制。所提出的机器实现了有效的采样退化基态和低能量激发态通过其固有的迁移性能在解决方案的搜索过程中。
2020-09-22 cs.ET nlin.CD physics.optics
Nanophotonic spin-glass for realization of a coherent Ising machine
解决优化问题的需求在广泛的物理应用中普遍存在，包括神经科学，网络设计，生物系统，社会经济学和化学反应。其中许多被归类为非确定性多项式时间（NP）困难，因此成为难以解决的系统规模的大量元素。光子学的最新研究进展已经引发了人们对使用耦合简并光学参量振荡器（DOPO）的网络来有效地找到伊辛哈密顿量的基态的兴趣，这可以用于通过多项式时间映射来解决其他组合优化问题。在这里，使用纳米光子氮化硅平台，我们提出了一个网络的片上空间复用DOPO的光子相干伊辛机的实现。我们演示了两个微谐振器为基础的DOPO的单芯片上的产生和耦合。通过一个可重构的相位链路，我们实现了同相和异相操作，这可以确定性地实现在一个快速的再生速度为400 kHz，具有较大的相位公差。我们的工作为实现芯片级光子伊辛机提供了关键的构建模块。
2020-03-25 cs.ET physics.app-ph physics.optics
Coherent chiral computation without optical parametric oscillation
现代科学所面临的挑战是找到一种计算NP难问题的方法。在这里，我们提出了一个相干计算模型的基础上的回音壁模式微谐振器。我们引入光连接的微谐振器阵列来模拟全连接的伊辛模型的动力学演化，微谐振器的模式手征作为伊辛模型中每个节点的自旋。利用该光学系统模拟了伊辛自旋链的弛豫时间、稳态分布和模式连接。此外，它被发现，目前的计划可以用于搜索相应的伊辛问题的完整的解决方案。数值结果表明，所需的时间是常数时间。我们的方法实现了非常规优化硬件的高精度和快速计算。
2022-06-27 cs.ET physics.optics
Coherent dynamics in frustrated coupled parametric oscillators
我们探讨了三个耦合参量振荡器的小网络中的相干动力学，并证明了挫折对它们之间的持续跳动的影响。由于单模参量振荡器代表经典伊辛自旋的模拟，耦合参量振荡器网络被认为是伊辛自旋模型的模拟器，旨在有效地计算伊辛网络的基态-计算困难的问题。然而，耦合参量振荡器的相干动力学可以比伊辛自旋的相干动力学丰富得多，这取决于它们之间的耦合性质（能量保持或耗散），就像最近两个耦合参量振荡器所显示的那样。特别是，当能量保持耦合占主导地位时，系统显示出永恒的相干拍，超越了伊辛描述。在这里，我们将这些研究结果扩展到三个耦合参量振荡器，特别关注的耗散耦合的挫折的影响。我们从理论上分析使用耦合非线性Mathieu方程的动力学，并证实了我们的理论研究结果的数值模拟，密切模仿系统的动态在一个实际的实验。我们的主要发现是，挫折会极大地改变这种动态。而在没有挫折的系统是类似的两个振荡器的情况下，挫折完全扭转了耦合的作用，并拍发现小能量保存耦合。
2020-08-28 nlin.CD physics.optics
All-optical scalable spatial coherent Ising machine
模拟耦合伊辛自旋的光学振荡器网络最近被提出作为解决困难优化问题的启发式平台。这些网络被称为相干伊辛机（CIM），利用耦合振子的集体非线性动力学可以驱动系统接近经典伊辛哈密顿量的全局最小值，编码在网络的耦合矩阵中。到目前为止，已经使用混合光电装置证明了大规模CIM的实现，其中模拟不同自旋的光学振荡器受到模拟其相互作用的电子反馈机制的影响。虽然光学演化确保了超快计算，但电子耦合是一个瓶颈，导致计算时间严重依赖于系统大小。在这里，我们提出了一个全光可扩展的CIM与完全可编程的耦合。我们的装置包括一个光学参量放大器与空间光调制器（SLM）内的参量腔。自旋变量被编码在由SLM的像素限定的不同空间点处的信号光束的光学波前的二进制相位中。我们首先讨论如何通过SLM的不同配置来实现不同的耦合拓扑结构，然后用模拟拟议机器动态的数值模拟对我们的设置进行基准测试。在我们的建议中，自旋动力学和耦合完全并行进行，为实现大规模计算目的的尺寸无关的超快光学硬件铺平了道路。
2021-11-11 cs.ET physics.comp-ph physics.optics
Persistent coherent beating in coupled parametric oscillators
耦合参量振荡器最近被用作人工伊辛网络的模拟器，具有解决计算困难的最小化问题的潜力。我们证明了一个新的动力学制度内最简单的网络-两个耦合的参数振荡器，其中的振荡器从来没有达到一个稳定的状态，但显示持久的，满量程的，相干拍，其频率反映了耦合特性和强度。我们提出了一个详细的理论和实验研究表明，这种新的动力学制度出现在很宽的范围内的振荡阈值附近的参数，并取决于耦合的性质（耗散或能量保存）。因此，耦合参量振荡器系统超越了伊辛描述，并表现出独特的相干动力学，这可能对相干计算机器有重要意义。
2019-08-23 nlin.CD physics.optics quant-ph
Coherent Ising Machines: The Good, The Bad, The Ugly
本文通过平均场与朗之万动力学框架分析相干伊辛机，揭示其作为连续状态机求解SDE及连续全局优化问题的能力，同时指出数模/模数转换瓶颈并强调全模拟光电实现的潜力。
2025-07-19 math.OC physics.optics
Geometric landscape annealing as an optimization principle underlying the coherent Ising machine
针对相干伊辛机（CIM）求解组合优化的性能理论缺失问题，本文利用自旋玻璃理论揭示了CIM在高维能量景观演化中的相变规律，提出了基于几何景观退火的最佳退火方案以可靠寻找近基态。
2023-09-15 cond-mat.dis-nn physics.optics
Microwave Photonic Ising Machine
基于模拟系统的伊辛机在求解普遍存在的组合优化问题中具有加速的潜力。虽然已经报道了一些支持大规模伊辛机的人造自旋，例如量子退火器中的超导量子比特和相干伊辛机中的短光脉冲，但由于超低的等效温度或光学相位灵敏度，自旋相干性是脆弱的。在本文中，我们提出了使用短的微波脉冲产生的光电参量振荡器作为自旋实现大规模的伊辛机，也在室温下的高相干。所提出的机器支持10，000次旋转，并且高相干性导致精确计算。此外，Ising机与高速电子设备高度兼容，具有可编程性，为解决现实世界的优化问题铺平了低成本，准确且易于实现的道路。
2020-09-19 physics.app-ph physics.optics
The geometry and dynamics of annealed optimization in the coherent Ising machine with hidden and planted solutions
Stanford University（斯坦福大学）
本文研究相干伊辛机退火优化中能量景观几何与动力学的关联，揭示低能全局最小值的软模引导下降，并分析隐藏植入解的可恢复性相变。
2026-10-01 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.optics
Ising machine by dimensional collapse of nonlinear polarization oscillators
本文提出一种利用非线性偏振振荡器三维特性并通过维度坍缩机制达到伊辛基态的新型伊辛机，数值结果表明其在基准图上成功概率更高，且性能扩展相对相干伊辛机呈指数级改进。
2025-04-11 cond-mat.dis-nn nlin.CD physics.app-ph
Adiabatic evolution on a spatial-photonic Ising machine
组合优化问题对于广泛的应用是至关重要的，但仍然难以用常规硬件大规模解决。新颖的光学平台，被称为相干或光子伊辛机，吸引了相当大的关注，作为加速器的优化任务制定为伊辛模型。退火是一种基于绝热演化的众所周知的技术，用于在由原子、电子或光子组成的经典和量子系统中找到最佳解。虽然各种伊辛机采用某种形式的退火，绝热计算的光学设置已仅部分研究。在这里，我们实现了100个自旋的受抑伊辛模型的绝热演化。我们使用全息和光学控制来改变自旋耦合示意性，并利用实验噪声来探索能量景观。退火增强了收敛到伊辛基态，并允许找到概率接近1的问题解决方案。我们的研究结果表明，与绝热量子算法类似，并通过光学矢量矩阵乘法和可扩展的光子技术来实施组合优化的光子方案。
2020-05-18 physics.app-ph physics.optics
Quadrature Photonic Spatial Ising Machine
在物理学和生物学中对求解非确定性多项式（NP）难题的核心算法进行加速的挖掘，激发了大量专用机器模型的产生。伊辛机已成为求解各种组合优化问题的有效工具。作为一种计算加速器，大型光子空间伊辛机具有良好的可扩展性和紧凑的系统结构，具有巨大的优势和潜力。然而，目前光子空间伊辛机的根本局限性在于加速器模型中问题实现的配置灵活性。任意自旋相互作用是解决各种NP难题的重要手段。此外，在所提出的光子伊辛机中没有外部磁场将进一步缩小映射优化应用的自由度。本文提出了一种新的正交光子空间伊辛机，突破了光子伊辛加速器在两段和三段同步相位操纵的限制。经过近100次迭代，实验证明了图阶数为100，密度从0.5到1的最大割问题解。我们推导并仿真验证了超过1600个节点的最大割问题的解和系统对光失调的容忍度。此外，顶点覆盖问题，建模为一个伊辛模型与外部磁场，已成功地实施，以获得最优解。我们的工作建议灵活的问题解决方案，大规模的光子空间伊辛机。
2021-05-18 cs.ET physics.optics
Noise-enhanced spatial-photonic Ising machine
伊辛机是一种新的计算设备，用于伊辛模型的能量最小化。这些组合优化问题对于科学和技术来说是至关重要的，但仍然难以通过传统电子学大规模解决。最近，各种基于光子学的伊辛机展示了通过多个时间或空间光学通道的数据处理来超快速计算伊辛基态。实验噪声在许多这些设备中起到有害作用。相反，我们在这里证明，一个最佳的噪声水平提高了性能的空间光子伊辛机受挫自旋问题。通过控制检测时的错误率，我们在基于空间光调制的伊辛机中引入了噪声反馈机制。我们研究了具有数百个单独可寻址自旋的系统上的设备性能，这些自旋具有全对全耦合，我们发现在特定的噪声水平下成功概率增加。最佳噪声幅度取决于图形属性和大小，因此指示有助于探索复杂能量景观和避免陷入局部最小值的附加可调参数。结果指出噪声是光计算的一种资源。这个概念也适用于不同的纳米光子神经网络，在开发具有光学并行架构的新型硬件以进行大规模优化时可能至关重要。
2020-04-05 cond-mat.dis-nn physics.app-ph physics.optics
