林海onrush (2026-02-17 00:50):
#paper, Coherent Ising machine based on polarization symmetry breaking in a driven Kerr resonator, DOI: 10.1038/ s41467-026-68794-6, 这篇论文提出并实验演示了一种新的光学相干伊辛机:不像传统 DOPO 型 CIM 那样用“相位”来编码自旋,而利用受驱动光纤 Kerr 环形谐振腔中的偏振自发对称性破缺来产生二元自旋,并用强度就能读出状态,从而显著降低相位稳定与本振同相探测带来的工程复杂度。具体机制是:外部泵浦沿腔的一个主偏振模 (E_1) 驱动,当扫频接近倾斜共振峰时,另一正交模 (E_2) 通过四波混频被参量产生并出现相差的两种简并相位态;再借助腔内一个“局域双折射缺陷,使 (E_2) 的相位在每个往返时间 (t_R) 后在两态之间强制交替,从而在混合偏振基 (E_pm=(E_1± iE_2)/sqrt2) 上表现为 (I_max) 与 (I_min) 的交替序列。因为初始相位由噪声随机选择,这就自然形成两种无偏的二元序列,对应自旋 (+1/-1),且只需对某一路 ( |E_+|^2 ) 做强度测量即可判别(文中图 1 给出了相位-强度映射与“跨两次往返观察时呈现 pitchfork 分岔”的解释)。更关键的是,作者利用此前发现的拓扑对称性保护工作区:该局域缺陷会把系统锁定到一个吸引子上,能在存在不完美 pi 相移或驱动偏振失配时仍消除漂移与偏置,从而实现长时间稳定、无需后选择的伊辛试验。 在实验上,他们用 57 m 标准单模光纤搭建环形腔(往返时间 273 ns、finesse≈42),以 1552 nm、4.69 GHz 重复率的 5 ps 脉冲列同步驱动,实现时间复用的自旋网络,自旋数 (N) 可通过脉冲挑选设置。耦合采用“测量-反馈”方式:读出每个脉冲在 ( |E_+|^2 ) 上的强度后,通过在驱动端给 (E_2) 分量施加相位调制来实现 J_ij 耦合。作为概念验证,作者实现了最近邻反铁磁的一维链:展示了 64 自旋单次运行中,随扫频跨过 SSB 点,自旋从噪声涨落逐步定态、网络伊辛能量下降并接近低能态;统计上 1500 次试验的末态能量分布与数值模拟高度一致,且在较弱耦合下分布在超过一小时的连续运行中保持稳定,期间无需人工调整、也不丢弃任何试验。进一步以“99% 命中基态所需时间”定义 time-to-solution,发现存在随规模变化的最优退火时间,并在 (N=10) 到 (100) 的链上测得的 time-to-solution 与 exp(sqrt{N}) 的标度更一致,暗示该平台具备扩展到更大问题规模的潜力;讨论部分也指出可通过调节腔 finesse 在速度、功耗与解质量间权衡,并且未来可借助 FPGA 等成熟方案扩展到更高连通度甚至全连接。
Coherent Ising machine based on polarization symmetry breaking in a driven Kerr resonator
翻译
Abstract:
Abstract Time-multiplexed networks of degenerate optical parametric oscillators have demonstrated remarkable success in simulating coupled Ising spins, thus providing a promising route to solving complex combinatorial optimization problems. In these systems, referred to as coherent Ising machines, spins are encoded in the oscillator phases, and measured at the system output using phase-sensitive techniques, making intricate phase stabilization necessary. Here, we introduce an optical Ising machine based on spontaneous polarization symmetry breaking in a coherently driven fiber Kerr nonlinear resonator. In our architecture, the spins are encoded in the polarization state, allowing robust, all-intensity readout with off-the-shelf telecom components. By operating in a newly-discovered regime where nonlinearity and topology lock the system’s symmetry, we eliminate drift and bias, enabling uninterrupted Ising trials at optical speeds for over an hour, without manual intervention. This all-fiber platform not only simplifies the hardware but also opens a path to more stable, high-throughput coherent optical optimization devices for applications from finance to drug design and beyond.
翻译
回到顶部