科技日報記者 張夢然

美國猶他大學(xué)工程學(xué)院團隊在新一期《自然·通訊》雜志上發(fā)表了一項突破性研究，提出將偏微分方程的信息編碼到光波中，并通過一種名為光學(xué)神經(jīng)引擎（ONE）的新型光學(xué)設(shè)備進行高效處理。該成果標志著光學(xué)計算從理論探索向?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)問題，用于描述多個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)象中具有強大的預(yù)測能力。然而，求解這些方程長期以來一直是科學(xué)與工程計算中的重大挑戰(zhàn)。目前用于求解偏微分方程的計算技術(shù)通常需要大量的時間和計算資源，這限制了其在實時或大規(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。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)方法對其進行建模。具體來說，是利用光波的不同特性（如強度和相位）來表示方程中的各個變量。當(dāng)光波穿過ONE中的一系列光學(xué)元件時，這些光信號會隨著傳播過程不斷演化，最終呈現(xiàn)出對應(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，輸入信號通過一系列計算節(jié)點傳遞，每個節(jié)點對輸出進行加權(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，利用光子器件實現(xiàn)類似功能，但速度更快、能耗更低。

團隊在多種經(jīng)典的偏微分方程上進行了測試，包括達西流方程（用于地下水流動建模）、退磁過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)雜問題上，均表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和準確性。

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

總編輯圈點

光學(xué)神經(jīng)引擎簡稱為ONE，這個有意思的縮寫，似乎也預(yù)示著它“萬宗歸一”的潛力。傳統(tǒng)計算機求解偏微分方程需要耗費大量算力和時間，得靠計算機集群才能解決問題。而ONE用光學(xué)方式來對偏微分方程建模，利用光波的不同特性來表示方程中的變量，光穿過光學(xué)元件的物理過程，本身就是一種計算過程。這一具有想象力的方法，在高效的同時降低能耗。ONE讓光學(xué)計算邁向應(yīng)用層面，給需要巨大算力的復(fù)雜問題帶來了新的解法。