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全新计算方法，打破经典 HPC 和量子局限
人们对超大规模超级计算和量子计算的可能性充满了期待，但在复杂的多变量问题上，有一种新兴的先进计算模式超越了传统高性能计算的限制——比量子计算更实用。
这种被称为基于激光的处理单元（LPU）的计算技术，有可能在解决最难的优化挑战方面跃居领先地位。
在了解 LPU 技术的工作原理之前，让我们先快速讨论一下当前的问题。金融、供应链/物流和制造等行业需要新的解决方案来应对复杂的多变量挑战，从优化金融投资组合和交易，到改进与车辆路线和仓库优化相关的决策，以及调度和装配线平衡。
这就需要从一组可能的解决方案中找到满足某些约束条件的最佳结果（“约束优化”）。对于NP-hard优化挑战，找到一个解决方案所需的时间会随着问题的大小呈指数增长，而问题的大小由变量或约束条件的数量决定：hard优化问题都有一个共同点：解决这些问题需要强大的计算能力。
如今，许多优化问题都是由经典计算机使用近似方法（如启发式算法）来解决的。遗憾的是，这些解决方案往往质量不高，而且解决问题的时间会随着问题的大小而增加。为了解决这个问题，通常会省略大量参数，以便在合理的计算时间内求解，从而导致结果不确定。即使是性能超过十万亿 FLOPS 的最强大超级计算机，也可能达到其计算极限。
至于量子计算机，它们仍不成熟，而且它们实现价格低廉、可扩展的那一天还遥遥无期。现在有许多量子模式，每种模式都面临工程挑战：例如需要超高真空、专用组件以及超低温和复杂的稳定系统。尽管存在这些极端条件，量子比特仍会继续与周围环境发生相互作用，使其容易出错，从而降低可靠性和准确性。
量子退火器已经实现了商业化。然而，这些房间大小的设备造价高达 1500 万美元、需要与量子计算机相同的极端操作条件。而且，由于它们的连接性较低，无法轻易扩展以解决具有挑战性的实际问题。
2023年5月，以色列初创公司LightSolver推出了首款纯激光处理单元 (LPU)：这是一种受量子启发的解决方案，采用全光耦合激光器、不需要电子设备进行计算，使其与传统台式计算机一样小，同时提供无与伦比的可扩展性、低功耗要求和室温操作。
激光处理单元是一种利用激光进行计算的新计算模式。与传统计算方法相比，它具有多项优势，包括速度更快、精度更高。LPU 体积小，可使用市场上可买到的部件制造，因此更容易推向大众市场。
LPU 使用的全部是光耦合激光器，无需电子元件即可进行计算，因此其体积与传统台式计算机一样小，同时还具有可扩展性、低功耗要求和室温操作等特点。它利用激光的干涉能力，从而满足特定问题的所有约束条件。
首先，LPU 的用户要提出二次无约束二元优化（QUBO）问题——这是一个数学问题，旨在找到满足特定约束条件的变量最佳组合。然后将问题的条件映射到激光器运行的光路中的“障碍(obstacle)”。
由于激光的波特性和专有的映射，激光束会汇聚到所需的解决方案中。然后对解决方案进行测量，并将其转换为用户的商业语言。通过这种方法，科学家可以以光速解决优化问题，比目前的其他技术要快几个数量级。
这种方法将优化问题的约束条件编码在激光器的相对相位（“激光比特”）中，通过使用紧密耦合的激光阵列，以可控方式将每个激光器的光衍射到所有其他激光器，从而使相位状态相互作用。这种设计可以实现所有激光器之间的完全连接，在桌面大小的设备上实现成对的全自旋相互作用、在室温下运行，并且只需要少量能量。
不过，与量子不同的是，该设备便于携带、不受环境敏感性的影响，也不需要纠错协议。此外，基于激光的超级计算机可以在不增加设备体积的情况下大幅扩展。在 LPU 中，每个变量都是一个激光自旋；这也不同于量子计算机，因为每个逻辑自旋也是物理自旋，所以它不会受到需要分配的开销自旋的影响。
最近，LightSolver的一项实验证明，激光可以在无需电子设备的情况下计算难题（目前正处于同行评审的最后阶段）。
40 个激光比特处理器进行计算，在解决复杂的优化问题方面取得了可喜的成果，与功能强大的 GPU 相比，速度提高了两个数量级，初步表明 LPU 具有巨大的计算潜力。实验团队表示，“利用现有成熟激光技术的新 LPU 范例有望在未来几年内超越量子计算和超级计算。”
参考链接：[1]https://thequantuminsider.com/2023/05/09/lightsolver-announces-laser-based-processing-unit/[2]https://insidehpc.com/2023/07/overcoming-the-limitations-of-classical-hpc-and-quantum-a-new-computational-method/[3]https://lightsolver.com/[4]https://arxiv.org/pdf/2209.03788.pdf
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