一種在光子邏輯門內(nèi)部的硬件糾錯(cuò)方式

當(dāng)今世界處于一個(gè)信息爆炸的時(shí)代，如何快速高效的處理信息，成為了信息技術(shù)領(lǐng)域研究的首要問題。結(jié)合光子計(jì)算的發(fā)展歷史，光子將在未來信息處理領(lǐng)域扮演越來越重要的角色?；隈R赫-曾德光學(xué)干涉儀(Mach-Zehnder; inter-ferometer, MZI)的可編程光子集成電路在人工智能，深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等諸多需要巨大算力的領(lǐng)域均取得了極大的進(jìn)展。

但是，隨著光子集成電路(Photonics Integrated Circuit, PIC)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，原本存在于每個(gè)原件中的微小制造誤差，不斷累積，最終會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生顛覆性的影響，譬如輸出功率大幅降低。

圖 1：光子芯片(藝術(shù)效果圖)

針對(duì)這一問題，來自美國(guó)麻省理工學(xué)院的 Dirk Englund 教授提出了一種在光子邏輯門內(nèi)部的糾錯(cuò)方式，使得在現(xiàn)有制造工藝容差范圍內(nèi)，可將集成光子系統(tǒng)規(guī)模提升至數(shù)百個(gè)單元模塊[1]。

面臨挑戰(zhàn)

可執(zhí)行任意無源矩陣運(yùn)算或?yàn)V波操作的可編程光子集成電路，也被稱為光學(xué) FPGA，其光子線路可以在制備后靈活地被軟件所重構(gòu)。這種系統(tǒng)具有速度快，耗能低等諸多優(yōu)勢(shì)，在量子通信，信號(hào)處理與人工智能等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。

圖 2：可編程光子電路示意圖

圖源：Nature / 圖譯：撰稿人 Cyan為應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的問題，光子系統(tǒng)也需提供更多算力，這意味著其規(guī)模也將進(jìn)一步擴(kuò)大。然而，隨著 PIC 內(nèi)部模塊數(shù)量的增加，本存在于各模塊內(nèi)部的微小工藝誤差，通過相互累積，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生巨大的打擊。譬如，現(xiàn)代生產(chǎn)工藝下，分光器的正常誤差容限約為 2%。但是，通過 Michael Y.-S. Fang 等人的研究發(fā)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)的前饋光子電路在執(zhí)行圖像識(shí)別任務(wù)時(shí)，由于累計(jì)的模塊微小缺陷，整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率會(huì)有大幅下降。

為此，也有很多全局變量?jī)?yōu)化的辦法被提出，例如非線性優(yōu)化，梯度下降與原位后向傳輸法等。但是，這些優(yōu)化方案都是極度消耗時(shí)間且很難隨著 PIC的規(guī)模而擴(kuò)展。此外，如若針對(duì)每一個(gè)芯片都做一次優(yōu)化，這明顯是極度低效的。

解決方案

Dirk Englund 團(tuán)隊(duì)在可編程光子集成電路中，基于馬赫-曾德干涉儀構(gòu)成了最基本的糾錯(cuò)模塊，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。理想狀態(tài)下，θ 與 φ 分別為 MZI 的兩臂相移，以產(chǎn)生 50:50 的分光效果。但是由于工藝誤差，將會(huì)引入相差 α 與 β，使得分光效果不準(zhǔn)。通過如下步驟，分光誤差將會(huì)得以矯正：

校準(zhǔn)并檢測(cè)出所有相移器的誤差并建立查找表 (Look-UpTable)

根據(jù)計(jì)算法則，算出每個(gè)相移器在理想狀態(tài)時(shí)的相移值 θ 與 φ

根據(jù)算法，對(duì) θ 值進(jìn)行分類

依據(jù)查找表，對(duì) MZI 施加相移校準(zhǔn)分量 φ’，實(shí)現(xiàn)完美 1：1 分光

圖 3：馬赫-曾德干涉儀 結(jié)構(gòu)圖圖源：Optica

與其他解決方案相比，該方案具有如下優(yōu)勢(shì)：

靈活度高，只需一次硬件校準(zhǔn)便可計(jì)算出任意幺正變換所需的配置參數(shù)

負(fù)載小且不需要額外的干涉儀或功率探測(cè)器

應(yīng)用場(chǎng)景 為驗(yàn)證方案的有效性，特在兩種經(jīng)典可編程光子集成電路結(jié)構(gòu)中(前向傳輸結(jié)構(gòu)與循環(huán)網(wǎng)格結(jié)構(gòu))，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并做出效果對(duì)比。

1. 光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是可編程光子集成電路的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，本文通過 Neurophox Package 仿真了一個(gè)雙層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行 MNIST 庫中的圖像識(shí)別測(cè)試。

圖 4：光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖圖源：Optica

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在模塊容差為 3% 時(shí)，小規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (模塊數(shù)為 36,64)的準(zhǔn)確率可達(dá) 95%~96%。隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大至 144 或 256 個(gè)模塊時(shí)，其準(zhǔn)確率可以提升至 97%。但是，如果沒有硬件校準(zhǔn)輔助，系統(tǒng)準(zhǔn)確率會(huì)驟減至 90%;而在保障正確率的前提下，硬件校準(zhǔn)方案可使模塊不均勻度容限達(dá)到 6%(實(shí)際工藝容限約為2%)，這將大大降低對(duì)制造工藝的苛求。由此可見，硬件校準(zhǔn)方案可以在工藝技術(shù)沒有重大革新前，使得一個(gè)容納數(shù)百個(gè)光模塊的高精確度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為可能。

2. 可調(diào)諧式色散補(bǔ)償

可編程光子集成電路的另一種典型結(jié)構(gòu)便是循環(huán)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成有/無限響應(yīng)濾波器 (FIR/IIR)，而 Dirk 等人使用 IIR 構(gòu)成了一個(gè)在傳統(tǒng)通信鏈路以及量子密鑰分配等諸多場(chǎng)景均有應(yīng)用的可調(diào)諧色散補(bǔ)償器，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖 5：可調(diào)諧色散補(bǔ)償器圖源：Optica

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似，由于累計(jì)誤差而造成的相位偏差可以被硬件糾錯(cuò)方案所彌補(bǔ)，繼而使得整個(gè)補(bǔ)償器可以得到理想的色散分布。

未來發(fā)展 可以預(yù)見未來光子集成電路，特別是可編程光子集成電路將會(huì)在家居，銀行，醫(yī)療，駕駛等諸多應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)揮重要作用，如圖 6 所示。為應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜場(chǎng)景中的挑戰(zhàn)，大規(guī)?；虺笠?guī)模光子集成電路系統(tǒng)或?qū)⒉豢杀苊狻?/p>

圖 6：光子芯片的應(yīng)用場(chǎng)景圖源：Nature / 圖譯：撰稿人 Cyan

綜上，這種全新的硬件糾錯(cuò)方式與原有的優(yōu)化方案相比，僅僅使用一次校準(zhǔn)流程，便可靈活的實(shí)現(xiàn)任意的矩陣變換/計(jì)算。此外，通過對(duì)可編程光子電路中的兩種典型結(jié)構(gòu)(前向傳遞與循環(huán)網(wǎng)格結(jié)構(gòu))的仿真驗(yàn)證，不難發(fā)現(xiàn)，該方案不僅使得對(duì)制備工藝的要求大幅降低，還極大地減少了每個(gè)模塊的訓(xùn)練開銷。因此，該方案為可編程光子電路技術(shù)提供了新的擴(kuò)展途徑。

原文標(biāo)題：可編程光子電路的“硬件糾錯(cuò)”

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審核編輯：湯梓紅