单片集成光电子耦合振荡器实现高效光学伊辛机

为解决传统光学伊辛机(OIM)在集成密度和能效上的瓶颈，华中科技大学团队提出了一种基于单片集成光电子耦合振荡器(OECO)的四自旋伊辛机。该研究通过定制马赫-曾德尔干涉仪(MZI)对称矩阵与高效率光-电耦合(OEC)非线性单元，实现了0.01 mm2的超紧凑单元面积和4 mW/单元的低功耗，自旋演化时间仅150 ns。实验证明其求解四自旋伊辛问题的成功率为0.986，为全光学物理退火系统的单片集成提供了新范式。

　　

随着摩尔定律的放缓，传统电子芯片在算力与能效提升上遭遇瓶颈。伊辛机作为一种新型计算范式，可通过物理系统直接求解NP难组合优化问题，但现有光学实现方案面临相位敏感、体积庞大、能耗高等挑战。特别是基于简并光学参量振荡器(DOPO)的方案需要瓦级泵浦功率，而光电子耦合方案又受限于分立器件和数字反馈带来的延迟。如何实现高集成度、低功耗的光学伊辛机，成为突破现有计算架构的关键。

华中科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地提出基于单片集成光电子耦合振荡器的光学伊辛机。该工作通过三个核心技术突破传统局限：首先采用微环调制器(MRM)构建OEC非线性单元，其0.01 mm²的单元面积和4 mW功耗显著优于马赫-曾德尔调制器(MZM)；其次设计基于Sagnac干涉仪的对称耦合矩阵，仅需N(N+1)/2个相位调制器即可实现0.986矩阵保真度；最后通过CMOS工艺将线性矩阵与非线性单元单片集成，消除模数转换环节。

原理与数值验证
研究团队建立了OECO系统的动力学模型，证明其非线性传输函数可等效于伊辛模型求解所需的双稳态特性。数值模拟显示，当增益系数α>1时，100个自旋能在400次迭代内收敛至基态，成功求解Biq Mac库中的g05100.5图问题。特别值得注意的是，系统对振幅不均匀性具有鲁棒性，在α=0.23、β=0.21参数下获得超过20%的基态成功率。

实验验证
制备的芯片集成Ge/Si光电探测器与MRM，实测3 dB带宽达40 GHz。关键创新在于采用正向偏置MRM实现非线性响应：当注入电流I_n>0时谐振峰蓝移，I_n<0时微弱红移，形成类sigmoid函数特性。实验测得单自旋分岔时间150 ns，比DOPO方案快三个数量级。在求解四自旋伊辛问题时，系统成功找到耦合矩阵J₁₃=J₂₄=1、J₂₃=-1的基态[-1 1 -1 1]，验证了物理退火的有效性。

讨论与展望
该研究首次实现了光学伊辛机的全单片集成，其双层波导架构使64×64 MZI矩阵面积仅133.66 mm²。理论估算显示，优化后的OEC单元功耗可降至0.15 mW，结合GHz级RC带宽，未来有望实现亚纳秒级收敛。相比时间复用方案，空间复用架构更适用于任意耦合问题，为蛋白质折叠、金融组合优化等应用提供硬件基础。研究团队指出，通过非易失性相移器进一步降低矩阵维持能耗，将是下一代光学伊辛机的重点突破方向。

这项突破性工作不仅将光学伊辛机的能效提升至新高度，更开创了"光计算-电反馈"协同优化的新范式，为后摩尔时代的新型计算架构发展提供了重要技术路径。