DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02178-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554708
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Hai Wei وآخرون
الموضوع الرئيسي: خوارزميات وهندسة الحوسبة الكمومية
نظرة عامة
تمثل آلات إيسينغ المتماسكة (CIMs) نهجًا جديدًا في الحوسبة الكمومية الهجينة تهدف إلى حل المشكلات NP-complete، مما يظهر إمكانات كبيرة لاكتشاف الحلول المثلى. تتناول هذه الدراسة التحديات المرتبطة بالحد الأدنى المحلي الناتج عن الضوضاء، محققة دقة حسابية محسنة واستقرارًا من خلال عرض تجريبي يستخدم ضخ الليزر بالفيمتوثانية. من خلال دمج استراتيجيات التحسين عبر الأبعاد البصرية والهيكلية، تفيد الدراسة بمعدل نجاح متوسط ملحوظ يبلغ 55% في تحديد الحلول المثلى ضمن رسم بياني لمصعد مويبيوس مكون من 100 رأس.
يؤدي تنفيذ نبضات الفيمتوثانية إلى زيادة القدرة القصوى، مما يعزز التأثيرات الكمومية مع تقليل قوة الضخ في آلات CIM القائمة على الألياف البصرية. علاوة على ذلك، حافظت آلات CIM على معدل نجاح ملحوظ على مدى فترة طويلة بلغت 8 ساعات، مما يبرز قابليتها العملية في السيناريوهات الواقعية. تشير النتائج أيضًا إلى تطبيقات محتملة في مجالات مثل ربط الجزيئات وتقييم الائتمان، مما يعزز الوعد النظري لآلات CIM وإمكانية دمجها في تطبيقات عملية على نطاق واسع.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية مشكلات التحسين التوافقي، التي تهدف إلى تحديد قيم المعلمات المثلى التي تعظم أو تقلل من دالة المنفعة. هذه المشكلات شائعة في تطبيقات العالم الحقيقي المختلفة، بما في ذلك الجدولة، والتوجيه، وتخصيص الموارد. نظرًا للنمو الأسي لمساحة الحلول مع زيادة عدد المتغيرات، فإن العثور على الحلول المثلى غالبًا ما يكون تحديًا. تقليديًا، استخدم الباحثون خوارزميات التقريب للحصول على حلول قريبة من المثلى في وقت متعدد الحدود. ومع ذلك، قدمت التقدمات الحديثة طرقًا بديلة تستفيد من الأنظمة الفيزيائية، مثل أجهزة التبريد الكمومي، والشبكات العصبية، وخاصة، آلة إيسينغ المتماسكة (CIM).
تعتبر CIM جهاز حوسبة كمومية هجينة تحاكي نموذج إيسينغ باستخدام نبضات المذبذب البارامترية البصرية المتدهورة (DOPO). تعمل عن طريق توليد شبكة من DOPOs، التي تعمل كسبين وتكون مرتبطة لتشفير هاميلتونيان مشكلة التحسين. من خلال ضبط قوة الضخ، يمكن لـ CIM الانتقال بين الحالات لتحديد الحالة الأرضية للهاميلتونيان المشفر. أظهرت الدراسات السابقة أن آلات CIM يمكن أن تسرع بشكل كبير من حساب مشكلات إيسينغ، متفوقة على الحواسيب التقليدية بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم لمشكلات تتضمن ما يصل إلى 100,000 سبين. ومع ذلك، يمكن أن تعيق التحديات مثل الحساسية للضوضاء البيئية وتغيرات طول التجويف الأداء. تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا يستخدم ليزر نبضات الفيمتوثانية لتعزيز كفاءة إعداد DOPO، مقترنًا بنظام جديد لتثبيت التجويف. وقد أدى هذا الابتكار إلى معدل نجاح يبلغ 55% في تحقيق الحلول المثلى لمشكلة قطع ماكس لمصعد مويبيوس المكون من 100 رأس، وهو الأعلى بين آلات CIM وأنظمة الكم المتوسطة الضوضاء الأخرى (NISQ). بالإضافة إلى ذلك، يظهر نظام CIM أكثر من 8 ساعات من التشغيل المستمر، مع إنشاء منصة سحابية لتطبيقات صناعية متنوعة.
الطرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار البحث. تشمل المنهجية التقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، بما في ذلك أي طرق إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، والضوابط، وأي متغيرات تم التلاعب بها خلال الدراسة. يسمح هذا النهج الشامل بفهم واضح لكيفية اشتقاق النتائج ويدعم صحة الاستنتاجات المستخلصة في البحث.
النتائج
توضح قسم النتائج تنفيذ آلة إيسينغ ذات المتغير المستمر (CIM) بناءً على هاميلتونيان نموذج إيسينغ، المعبر عنه كـ \( H(\sigma) = -\sum_{i,j} J_{ij} \sigma_i \sigma_j \)، حيث \( \sigma_i \in \{+1, -1\} \) تمثل حالات السبين و \( J_{ij} \) تشير إلى قوى التفاعل. كل نبضة من مذبذب بارامترية بصرية متدهورة (DOPO) تتوافق مع سبين، مع طورها (0 أو \(\pi\)) يشير إلى حالة السبين. ينتقل النظام من تراكب الحالات إلى حالة محددة مع تجاوز قوة الضخ العتبة، مما يؤدي إلى تذبذب نبضات DOPO عند الحالة الأرضية لهاميلتونيان إيسينغ، كما تحدده مبدأ الكسب الأدنى.
يستخدم إعداد التجربة ليزر ألياف مقفلة الوضع يعمل عند 1555 نانومتر، ينتج نبضات بتردد تكرار يبلغ 100 ميغاهيرتز وقوة خرج متوسطة تتجاوز 100 مللي واط. يتم اقتران هذا الليزر مع مرحلة توليد التوافقيات الثانية لإنتاج نبضات بطول 777.5 نانومتر، وتعتمد DOPO على بلورة الليثيوم نوبات المصفوفة الدورية (PPLN) منفصلة. يتكون النظام من 211 نبضة DOPO، مع تخصيص 100 للحساب والباقي للتثبيت. يتم استخدام مخطط قياس وتغذية راجعة لتحسين قوة الاقتران لكل نبضة، مما يمكّن من حساب نماذج إيسينغ عبر خدمة سحابية. من الجدير بالذكر أن الحالة الأرضية للهاميلتونيان تم تحديدها بنجاح في 20 دورة، مما استغرق أقل من 50 ميكروثانية، مما يظهر فعالية بنية CIM في حل مشكلات التحسين المعقدة.
المناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على مزايا استخدام نبضات الفيمتوثانية (fs) في آلات إيسينغ ذات المتغير المستمر (CIMs) لمهام التحسين، خاصة في سياق عمليات التحويل النزولي. تظهر الأبحاث أن نبضات fs، التي تتميز بعرض نبضة أضيق وكثافة طاقة قصوى أعلى، تعزز بشكل كبير كفاءة التحويل غير الخطية مقارنةً بالنبضات السابقة المستخدمة من نوع البيكوسكند (ps). يؤدي هذا التحسين إلى فائدتين رئيسيتين: تأثير كمومي أكثر وضوحًا أثناء توليد المذبذبات البارامترية البصرية المتدهورة (DOPOs) وتقليل قوة الضخ المطلوبة لحسابات CIM. يتم تقديم هاميلتونيان DOPO، مع التركيز على الديناميات المتماسكة وعمليات فقدان الطاقة التي تعتبر حاسمة لتحسين الأداء الحسابي.
علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على تنفيذ نظام تثبيت تجويف جديد مصمم للتخفيف من حساسية CIMs ذات الفيمتوثانية للتقلبات البيئية، التي يمكن أن تؤثر سلبًا على دقة الحسابات. يدمج هذا النظام التحكم في درجة الحرارة، وعزل الاهتزاز، وآليات التغذية الراجعة النشطة للحفاظ على الاستقرار التشغيلي على مدى فترات طويلة. تشير النتائج إلى أن CIM ذات الفيمتوثانية يمكن أن تحقق باستمرار معدلات نجاح عالية في حل مشكلات التحسين التوافقي، مثل مشكلة قطع ماكس، متفوقة على الطرق التقليدية وتظهر إمكاناتها للتطبيقات العملية في مجالات مثل ربط الجزيئات وتقييم الائتمان. بشكل عام، تؤكد النتائج على القدرات الحسابية المعززة لـ CIMs ذات الفيمتوثانية، مما يمهد الطريق لتطبيقها في سيناريوهات التحسين المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02178-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554708
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Hai Wei et al.
Primary Topic: Quantum Computing Algorithms and Architecture
Overview
Coherent Ising machines (CIMs) represent a novel hybrid quantum computing approach aimed at solving NP-complete problems, demonstrating significant potential for optimal solution discovery. This research addresses the challenges associated with noise-induced local minima, achieving enhanced computational accuracy and stability through an experimental demonstration utilizing femtosecond laser pumping. By integrating optimization strategies across both optical and structural dimensions, the study reports a notable average success rate of 55% in identifying optimal solutions within a Möbius Ladder graph of 100 vertices.
The implementation of femtosecond pulses yields higher peak power, which enhances quantum effects while reducing pump power in optical fiber-based CIMs. Furthermore, the CIMs maintained a remarkable success rate over an extended period of 8 hours, underscoring their practical applicability in real-world scenarios. The findings also suggest potential applications in fields such as molecular docking and credit scoring, reinforcing the theoretical promise of CIMs and their prospective integration into large-scale practical applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of combinatorial optimization problems, which aim to identify optimal parameter values that maximize or minimize a utility function. These problems are prevalent in various real-world applications, including scheduling, routing, and resource allocation. Due to the exponential growth of the solution space with an increasing number of variables, finding optimal solutions is often challenging. Traditionally, researchers have utilized approximation algorithms to obtain near-optimal solutions in polynomial time. However, recent advancements have introduced alternative methods leveraging physical systems, such as quantum annealers, neural networks, and notably, the Coherent Ising Machine (CIM).
The CIM is a hybrid quantum computing device that simulates the Ising Model using Degenerate Optical Parametric Oscillator (DOPO) pulses. It operates by generating a network of DOPOs, which act as spins and are coupled to encode the Hamiltonian of the optimization problem. By adjusting the pump power, the CIM can transition between states to identify the ground state of the encoded Hamiltonian. Previous studies have shown that CIMs can significantly accelerate the computation of Ising problems, outperforming classical computers by over two orders of magnitude for problems involving up to 100,000 spins. Nonetheless, challenges such as sensitivity to environmental noise and cavity length variations can hinder performance. This study presents a novel approach utilizing femto-second pulse lasers to enhance DOPO preparation efficiency, coupled with a new cavity stabilization system. This innovation has led to a reported 55% success rate in achieving optimal solutions for the 100-vertex Möbius Ladder Max-Cut problem, the highest among CIM and other Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) systems. Additionally, the CIM system demonstrates over 8 hours of continuous operation, with a cloud platform established for diverse industrial applications.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the research. The methodology encompasses the techniques for data collection and analysis, including any statistical methods applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental setup, controls, and any variables manipulated during the study. This comprehensive approach allows for a clear understanding of how the findings were derived and supports the validity of the conclusions drawn in the research.
Results
The results section details the implementation of a Continuous-Variable Ising Machine (CIM) based on the Ising model Hamiltonian, expressed as \( H(\sigma) = -\sum_{i,j} J_{ij} \sigma_i \sigma_j \), where \( \sigma_i \in \{+1, -1\} \) represents the spin states and \( J_{ij} \) denotes the interaction strengths. Each pulse from a degenerate optical parametric oscillator (DOPO) corresponds to a spin, with its phase (0 or \(\pi\)) indicating the spin state. The system transitions from a superposition of states to a definitive state as the pump power exceeds the threshold, leading to the oscillation of DOPO pulses at the ground state of the Ising Hamiltonian, as dictated by the minimum gain principle.
The experimental setup utilizes a mode-locked fiber laser operating at 1555 nm, producing pulses with a repetition frequency of 100 MHz and an average output power exceeding 100 mW. This laser is coupled with a second harmonic generation stage to produce 777.5-nm pulses, and the DOPO relies on a separate periodically poled lithium niobate (PPLN) crystal. The system comprises 211 DOPO pulses, with 100 designated for computation and the remainder for stabilization. A measurement and feedback scheme is employed to optimize the coupling strength of each pulse, enabling the computation of Ising models via a cloud service. Notably, the ground state of the Hamiltonian was successfully identified within 20 circulations, taking less than 50 microseconds, demonstrating the efficacy of the CIM architecture in solving complex optimization problems.
Discussion
In this section, the discussion centers on the advantages of using femtosecond (fs) pulses in Continuous-Variable Ising Machines (CIMs) for optimization tasks, particularly in the context of down-conversion processes. The research demonstrates that fs pulses, characterized by their narrower pulse width and higher peak power density, significantly enhance non-linear conversion efficiency compared to previously used picosecond (ps) pulses. This improvement leads to two key benefits: a more pronounced quantum effect during the generation of degenerate optical parametric oscillators (DOPOs) and a reduction in the required pump power for CIM computations. The Hamiltonian of the DOPO is presented, emphasizing the coherent dynamics and energy dissipation processes that are crucial for optimizing computational performance.
Moreover, the study highlights the implementation of a novel cavity stabilization system designed to mitigate the sensitivity of fs CIMs to environmental fluctuations, which can adversely affect computational accuracy. This system integrates temperature control, vibration isolation, and active feedback mechanisms to maintain operational stability over extended periods. The results indicate that the fs CIM can consistently achieve high success rates in solving combinatorial optimization problems, such as the Max-Cut problem, outperforming traditional methods and demonstrating its potential for practical applications in fields like molecular docking and credit scoring. Overall, the findings underscore the enhanced computational capabilities of fs CIMs, paving the way for their application in complex optimization scenarios.