基于驱动克尔谐振腔中极化对称性破缺的相干伊辛机

会“思考”的光，应对艰难抉择

当今许多最棘手的问题——从新药设计到配送路径规划——归根结底都是从天文般众多的可能性中选出最佳组合。本文介绍了一类新型光学器件：利用在光纤环中循环的光场“落入”这些问题的良好解答，可能比传统计算机更快、更高效，而且使用的是现代电信中常见的简单而可靠的硬件。

为什么难题看起来像微小磁体

研究者常把复杂的决策任务转译为来自磁性领域的模型：无数微小磁体（或称“自旋”）各自指向两种可能方向之一。问题的最佳解对应于整体“能量”最低的自旋排列，就像磁体系寻找平静、稳定的状态一样。所谓伊辛机就是物理地模仿这种行为：它用能处于两种稳定态之一的物理单元来代表每个自旋，然后让整个网络演化，直到自发地落入一个低能模式，从而编码出有希望的解。

把光变成人工自旋

现有的光学伊辛机通常把自旋编码在激光振荡器网络中光波的相位上。读取和稳定这些脆弱的相位需要复杂的控制电路和极其精细的对准，限制了可靠性和速度。在这项工作中，作者提出了不同的方法：他们在一段称为克尔谐振腔的标准光纤环中，用光的极化——即电场方向的取向——来构建自旋。单个激光向该光纤环注入短脉冲；每个脉冲作为一个自旋，一列脉冲形成在谐振腔中时分复用的多个自旋链。

对称性破缺时抉择出现

在光纤环内，可以存在两种互相垂直的极化模。系统被调节到在低功率时仅有一种模携带光，而另一模保持暗态。随着激光频率和功率的调整，光纤中的非线性效应会在第二个极化模中出现光，但会以两种同等可能的配置之一出现。环内精心放置的极化元件在每次往返时翻转相对状态，导致可呈现两种不同形式的周期性模式。这两种模式对应于自旋的“向上”或“向下”。关键在于，系统设计利用了一种拓扑保护效应，使得小的缺陷或漂移不会偏向任一自旋状态。这意味着自旋在时间上保持无偏置且稳定，这是公平且可重复计算的重要要求。

让自旋互相“对话”并寻找良解

要求解一个优化问题，脉冲必须相互影响，使得自旋偏好某些集体排列而非其他排列。作者通过测量谐振腔输出的强度模式来实现这一点——该模式通过亮度差异简单地揭示每个自旋的状态——并把经过精心处理的信号反馈回系统。该反馈以模仿一维链中相邻自旋间“朋友或敌人”关系的方式，轻微扰动第二极化模的驱动光。当缓慢扫过使极化态分裂的激光频率点时，相互作用的自旋演化并倾向于落入使相应数学模型总体能量最小的排列。

性能、稳定性与未来前景

对多达100个自旋的实验表明，该装置可以连续运行超过一小时而无需手动调节或丢弃异常试验——这在实际应用中相比许多以前的光学伊辛机是一大优势。系统持续找到低能态配置，对于64自旋问题，大约五分之一的时间能达到真正的最优态，这与详细仿真结果相符。通过考察可靠找到最佳解所需时间随问题规模的增长，作者发现其行为与一种有利的标度一致——大致随自旋数平方根的指数增长——表明在更大规模任务上仍有竞争力的空间。

对现实世界问题求解的意义

用通俗的话说，这项工作表明，在一个简单的光纤环中奔流的光可以可靠地充当大量微小的二态决策单元，它们通过相互推动达成良好的联合选择。通过用极化而非更脆弱的相位信号来编码信息，并使用标准电信组件，作者展示了一条更稳健、对硬件更友好的光学路径，通向处理复杂优化任务的装置。借助未来的改进——例如更丰富的自旋间连接模式和更快的谐振器——基于极化的相干伊辛机有望成为在金融与物流到材料发现与分子设计等领域加速复杂搜索的实用工具。

引用: Quinn, L., Xu, Y., Fatome, J. et al. Coherent Ising machine based on polarization symmetry breaking in a driven Kerr resonator. Nat Commun 17, 2100 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68794-6

关键词: 伊辛机, 光学计算, 极化, 光纤谐振腔, 组合优化