Фотонный компьютер - машина, которая не перебирает варианты, а ждет, пока физика сама найдет ответ
Десятилетиями самый простой ответ на усложняющиеся задачи звучал одинаково: нужно просто построить компьютер мощнее. Но есть класс проблем, где упираешься не в «скорость процессора», а в комбинаторный взрыв, вариантов ответа становится так много, что перебор превращается в бессмысленность даже для суперкомпьютеров. Исследователи из Queen’s University предлагают обходной путь: не ускорять электронику, а заставить саму физику искать удачные решения, используя свет.
Команда лаборатории Бхавина Шастри собрала специализированную «Ising-машину» на базе оптоэлектронного осциллятора, которая работает при комнатной температуре и сделана из массовых компонентов, близких к тем, что используются в телекоммуникациях. В статье ее описывают как программируемую, устойчивую Ising-машину на базе OEO, где вычисления реализуются в петле с лазером, оптоволокном, модуляторами и цифровой обработкой сигналов.
Смысл Ising-подхода в том, что оптимизационную задачу представляют как систему «спинов» со связями, а затем дают системе естественным образом прийти к состоянию с минимальной «энергией», которое и соответствует хорошему решению. Вместо магнитов в установке используют импульсы света: «спин» кодируется наличием или отсутствием импульса в временно закодированной петле, а взаимодействия настраиваются программно через DSP. В результате импульсы многократно проходят по контуру, влияют друг на друга и сходятся к устойчивому шаблону, который и является ответом.
Авторы приводят наглядный пример того, почему перебор быстро становится невозможным на практике. Если службе доставки нужно выстроить маршрут с пятью остановками, вариантов немного, но при двадцати остановках их уже астрономически много, а при 50 полный перебор занял бы время, сравнимое с возрастом Вселенной. Именно здесь выигрывает «физический» поиск: свет в такой схеме дает очень высокую внутреннюю скорость, а отсутствие криогеники делает систему потенциально проще и дешевле в эксплуатации.
По данным работы, архитектура решает полностью связные задачи до 256 спинов (65 536 связей), а при разреженной структуре масштабируется более чем до 41 000 спинов, при этом установка оставалась стабильной часами, что нетипично для многих экспериментальных фотонных Ising-машин, которые «сыпятся» за миллисекунды. Также заявляется потенциальная производительность свыше 200 гигаопераций в секунду для операций связи и нелинейности.
Важно, что это не «универсальный компьютер на свете», а ускоритель под конкретный класс задач: оптимизацию и комбинаторику, которые встречаются в логистике, планировании, финансах, моделировании и частично в задачах вроде подбора структур в биоинформатике. Сама работа опубликована в Nature, и университет отдельно отмечает ее как демонстрацию настольной фотонной системы на готовых компонентах.