近日，武漢光電國家研究中心張新亮教授、董建績教授團隊聯合中國科學院半導體研究所李明研究員成功研發了一種單片集成的光電耦合伊辛機。該技術實現了片上光學物理退火，在提升能效、縮小尺寸和加快收斂速度方面具有重要突破。研究成果發表在學術期刊Nature Communications上，題為“A monolithically integrated optical Ising machine”。華中科技大學吳波博士為論文第一作者，周海龍副教授、董建績教授、中國科學院半導體李明研究員為共同通訊作者，我校為第一通訊單位。
 

　　面對摩爾定律放緩和電子芯片能效極限，如何突破馮·諾依曼架構成為新一代計算技術的關鍵課題。光學伊辛機因其在組合優化問題求解中的巨大潛力而備受關注，但目前主流方法仍面臨集成度低、功耗高、響應慢等瓶頸，制約其大規模應用。為此，研究團隊提出了一種單片集成的光學伊辛機計算方案，基于光電耦合振蕩(OECO)結構，首次實現了無需外部電學輔助的片上四自旋伊辛問題求解器。該系統采用定制化馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)構建的對稱光學耦合矩陣，結合超緊湊、低功耗的光電耦合(OEC)非線性單元，實現了線性與非線性功能在芯片上深度融合。系統結構如下圖所示：
 

　　圖1 光學伊辛機系統結構圖。展示光電耦合(OEC)非線性單元、4×4對稱耦合矩陣、輸入輸出路徑，以及自旋態從初始態演化至基態的過程

 

　　OEC單元的面積僅0.01 mm?，單元功耗4 mW，系統耦合矩陣實現了平均0.986的矩陣保真度，單自旋態演化時間為150 ns，系統回路時延為1.71 ns。系統能夠高效地找到目標伊辛問題的最優解，成功演化出預期的基態，如下圖所示：
 

　　圖2 四自旋狀態演化及最終解圖像。在激勵脈沖作用下，四個自旋狀態演化為[-1, 1, -1, 1]，驗證系統正確求解能力

 

　　該方案的能效優勢顯著，每自旋每輪演化的能耗僅為6.8 pJ，優于目前其他片上或光纖實現的光學伊辛機方案。在集成度、功耗和收斂速度上全面領先，具備優越的可擴展性和工程可實現性。研究成果為構建片上物理退火計算加速器提供了堅實基礎，為光子計算邁向實用化和大規模集成奠定了關鍵技術支撐。
 

　　董建績團隊長期從事集成光學與光計算領域研究工作，在光學非線性激活函數、光學深度神經網絡芯片、單片集成光學伊辛機芯片、單片集成光學循環計算加速芯片、光學邏輯可編程邏輯陣列、光計算芯片訓練和推理等方面獲得重要進展，近5年在eLight、Nature Communications、Advanced Photonics、Light Science & Applications、PhotoniX、Optica等期刊發表論文13篇。主持國家重點研發計劃、國家杰出青年基金、國家優秀青年基金等項目，獲得全國百篇優秀博士學位論文獎，2次獲得湖北省自然科學一等獎，1次獲得國家(研究生)教學成果二等獎。擔任期刊Frontier of Optoelectronics執行主編、全國智能計算標準化委員會委員、中國光學學會纖維光學與集成光學專委會常務委員，作為發起人組織光子學公開課的光電計算專題。