科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

美國(guó)猶他大學(xué)工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)在新一期《自然·通訊》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，提出將偏微分方程的信息編碼到光波中，并通過(guò)一種名為光學(xué)神經(jīng)引擎（ONE）的新型光學(xué)設(shè)備進(jìn)行高效處理。該成果標(biāo)志著光學(xué)計(jì)算從理論探索向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了重要一步，為下一代高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展開辟了新方向。

偏微分方程是一類重要的數(shù)學(xué)問(wèn)題，用于描述多個(gè)變量之間的相互作用關(guān)系，在模擬復(fù)雜的物理、工程和自然現(xiàn)象中具有強(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力。然而，求解這些方程長(zhǎng)期以來(lái)一直是科學(xué)與工程計(jì)算中的重大挑戰(zhàn)。目前用于求解偏微分方程的計(jì)算技術(shù)通常需要大量的時(shí)間和計(jì)算資源，這限制了其在實(shí)時(shí)或大規(guī)模應(yīng)用中的可行性。

ONE系統(tǒng)結(jié)合了衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光學(xué)矩陣乘法器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它不以傳統(tǒng)的數(shù)字方式表示偏微分方程，而是采用光學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行建模。具體來(lái)說(shuō)，是利用光波的不同特性（如強(qiáng)度和相位）來(lái)表示方程中的各個(gè)變量。當(dāng)光波穿過(guò)ONE中的一系列光學(xué)元件時(shí)，這些光信號(hào)會(huì)隨著傳播過(guò)程不斷演化，最終呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)于特定偏微分方程解的狀態(tài)。

這種方法借鑒了當(dāng)前機(jī)器學(xué)習(xí)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理：在傳統(tǒng)電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，輸入信號(hào)通過(guò)一系列計(jì)算節(jié)點(diǎn)傳遞，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)輸出進(jìn)行加權(quán)調(diào)整，直到最合適的解成為最終輸出。ONE將這一思想引入光學(xué)領(lǐng)域，利用光子器件實(shí)現(xiàn)類似功能，但速度更快、能耗更低。

團(tuán)隊(duì)在多種經(jīng)典的偏微分方程上進(jìn)行了測(cè)試，包括達(dá)西流方程（用于地下水流動(dòng)建模）、退磁過(guò)程中的靜磁泊松方程以及不可壓縮流體中的納維-斯托克斯方程（廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)）。結(jié)果顯示，ONE在這些復(fù)雜問(wèn)題上，均表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。

這項(xiàng)研究成果為未來(lái)在大規(guī)模科學(xué)計(jì)算和工程仿真領(lǐng)域提供了一個(gè)多功能、高效率的全新平臺(tái)，有望在地質(zhì)建模、芯片設(shè)計(jì)、氣候模擬等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

總編輯圈點(diǎn)

光學(xué)神經(jīng)引擎簡(jiǎn)稱為ONE，這個(gè)有意思的縮寫，似乎也預(yù)示著它“萬(wàn)宗歸一”的潛力。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)求解偏微分方程需要耗費(fèi)大量算力和時(shí)間，得靠計(jì)算機(jī)集群才能解決問(wèn)題。而ONE用光學(xué)方式來(lái)對(duì)偏微分方程建模，利用光波的不同特性來(lái)表示方程中的變量，光穿過(guò)光學(xué)元件的物理過(guò)程，本身就是一種計(jì)算過(guò)程。這一具有想象力的方法，在高效的同時(shí)降低能耗。ONE讓光學(xué)計(jì)算邁向應(yīng)用層面，給需要巨大算力的復(fù)雜問(wèn)題帶來(lái)了新的解法。