由北京大学胡小永教授和龚齐黄院士领导的“极端光学团队”最近在综合光子芯片研究方面取得了重大进展，为实现大规模、多功能、小型光子计算平台开辟了新的道路。研究结果发表在《科学进展》杂志。
传统挑战：光子芯片的集成与功能
随着信息技术的快速发展，对高速信息处理的需求不断增加。集成光子芯片在高速信息处理领域发挥着重要作用，具有光子作为信息载体的独特优势。然而，传统光子芯片的两个关键挑战是：一是难以实现多功能集成，二是芯片尺寸过大，严重限制了其集成和计算能力的提高。例如，传统的马赫-曾德干涉仪（MZ干涉仪）的特点尺寸高达100微米，这不仅阻碍了芯片的小型化，而且限制了单位面积计算能力的发展。
创新突破：逆向设计和超紧凑定向耦合器
为了应对这些挑战，“极端光学团队”采用逆向设计智能算法，结合梯度算法和几何约束算法，成功设计并制备了一个高性能定向耦合器，尺寸仅为4微米×2微米。该新型定向耦合器取代了传统光子芯片中的多模干涉器，不仅大大降低了芯片尺寸，而且实现了超完整的相移控制功能，大大提高了芯片的集成度。集成光子芯片由86个逆向设计的定向耦合器和91个移相器组成，其特征尺寸仅为3mm×0.2mm，单位面积的集成度提高了整个数量级。
功能扩展：实现量子模拟和神经网络
该团队还展示了集成光子芯片的多功能性。通过构建一维紧绷模型，他们实现了量子模拟，演示了四种不同的拓扑相(平庸、0模拓扑、0模拓扑π模以及0，π模具同时存在)，平均保真度高达0.9790。此外，通过调节在位能的变化周期、振幅和耦合系数，研究团队实现了一维Aubry-André-实验测得Harper构型拓扑绝缘体的量子模拟平均保真度为0.9934。
更令人兴奋的是，集成光子芯片还成功实现了MNIST手写数字数据集中光学神经网络的分类功能，准确率分别达到87%(0～3)和69%(针对数字0～7)，相当于计算机训练效果。
光子计算的未来
这一创新不仅解决了传统集成光子芯片的集成和多功能问题，而且首次展示了光子芯片在量子模拟和神经网络应用中的巨大潜力。超紧凑多功能集成光子平台的实现标志着光子计算技术进入了一个新的发展阶段，为未来的大型光子计算平台奠定了坚实的基础。获取更多有价值的信息 访问：https://byteclicks.com
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