[发明专利]基于混合波的计算

说明书

一种被配置用于执行基于波的计算的基于无源光子波的计算系统，该系统包括混合单元，该混合单元包括多个输入和多个输出，该混合单元是腔并且进一步被配置用于：在该腔中将经由所述至少一个输入接收到的光束朝向所述多个输出中的至少一个输出散射或反射平均至少三次。

发明领域

本发明涉及基于光波的计算领域。更具体而言，本发明涉及使用混合单元以低损耗进行基于光波的计算的方法和系统。

发明背景

人们越是被大数据淹没，就越让计算机接管数据处理。因此，机器学习是当前计算机科学和统计中发展最快的学科之一。然而，大部分这种处理仍发生在高耗电计算机上的软件中。

替换的硬件实现是专门被设计用于高效光学计算的所谓的储层计算机(Reservoir Computer)。储层计算是专注于时间相关数据的处理的机器学习分支。它最初是在2000年代早期作为使用具有内部反馈的未经训练神经网络结合经训练的线性读出层来执行对时间数据的分类的方法而提出的。通过所谓的递归网络中的非线性节点的反馈执行对信号的非线性混合，并向系统提供衰退存储器。

2014年已由Kristof Vandoorne等人在Nature communications 5(自然通信第5卷)(2014)中提出了基于相同储层计算原理的无源光子储层计算机。然而，所提出的实现受到来自与系统中所使用的组合器序列相关联的3dB损耗的基本缩放限制。

无源光子储层可被用于多种应用。然而，储层可以执行的任务的复杂度取决于组成该储层的神经元数目，这些损耗也限制了可以执行的任务的复杂度，并且因此仍有改进的空间。

发明内容

本发明的各实施例的目的是基于混合单元提供显示出低损耗的高效的基于无源光子波的计算方法和系统。

本发明涉及一种被配置用于执行基于波的计算的基于无源光子波的计算系统，该系统包括混合单元，该混合单元是包括至少一个输入和多个输出的腔，该混合单元进一步被配置用于：在腔中将经由所述至少一个输入接收到的光束朝向所述多个输出中的至少一个输出反射或散射平均至少三次。混合元件可以是光子晶体腔，或者可以是基于散射的混合单元。要注意，混合单元通常可以显著大于波长或大于波长的数量级。混合单元可以比将与该系统联用的波长至少大5倍。

该至少一个输入可以是多个输入。混合单元具有多个输出。此类输出可以例如使用加权和求和进行组合，以使得整个基于波的计算系统可以仅有单个输出。

本发明的各实施例的优点在于，混合单元允许提供对输入辐射的良好混合，而不会发生大的损耗。后者是通过避免使用系统中的至少一些组合器和分离器并且替代地使用混合单元来获得的。

在本发明的实施例中引用腔的情况下，引用的是光子器件中通常填充有透明材料的区域，该区域对于系统可以对其使用的辐射的波长而言是透明的，并且在边缘包括反射元件，例如，反射壁。

混合单元可以被配置在基于无源光子波的计算系统中，以使得其充当用于辐射信号的衰退存储器。

混合单元可以是包括多个反射壁的腔，以使得来自输入的辐射在多次反射之后最终将到达输出端口。

混合单元可以是光子晶体腔。

混合单元可以具有四分之一体育场的形状。

输入和/或输出波导可以通过绝热锥形体连接到混合单元。

混合单元可以是由硅制成的腔，其中铁电薄膜被涂敷在该腔上，其中混合单元是由硅棒制成的光子晶体腔，其中在中间引入非线性聚合物，或者其中该腔由III-V材料制成。

该系统可以包括在分层布置中耦合的多个混合单元。腔可以是由具有气孔的硅制成的光子晶体腔。