1 工作简介

         ——单片集成光学伊辛机

面对摩尔定律放缓和电子芯片能效极限，如何突破冯·诺依曼架构成为新一代计算技术的关键课题。光学伊辛机因其在组合优化问题求解中的巨大潜力而备受关注，但目前主流方法仍面临集成度低、功耗高、响应慢等瓶颈，制约其大规模应用。

华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮、董建绩研究团队联合中国科学院半导体研究所李明研究员成功研发了一种单片集成的光电耦合伊辛机。基于光电耦合振荡（OECO）结构，首次实现了无需外部电学辅助的片上四自旋伊辛问题求解器。该技术实现了片上光学物理退火，在提升能效、缩小尺寸和加快收敛速度方面具有重要突破。

该系统采用定制化马赫-曾德尔干涉仪（MZI）构建的对称光学耦合矩阵，结合超紧凑、低功耗的光电耦合（OEC）非线性单元，实现了线性与非线性功能在芯片上深度融合。系统结构如图1所示。

OEC单元的面积仅0.01 mm²，单元功耗4 mW，系统耦合矩阵实现了平均0.986的矩阵保真度，单自旋态演化时间为150 ns，系统回路时延为1.71 ns。系统能够高效地找到目标伊辛问题的最优解，成功演化出预期的基态，如图2所示。

该方案的能效优势显著，每自旋每轮演化的能耗仅为6.8 pJ，优于目前其他片上或光纤实现的光学伊辛机方案。在集成度、功耗和收敛速度上全面领先，具备优越的可扩展性和工程可实现性。研究成果为构建片上物理退火计算加速器提供了坚实基础，为光子计算迈向实用化和大规模集成奠定了关键技术支撑。

该研究成果以《一种单片集成的光学伊辛机》（A monolithically integrated optical Ising machine）为题，于2025年5月8日在《自然 通讯》（Nature Communications）上发表。华中科技大学博士生吴波为论文第一作者，华中科技大学董建绩教授、周海龙副教授以及中国科学院半导体研究所李明研究员为通讯作者。

2 主要作者简介

通讯作者

董建绩，华中科技大学教授、博士生导师。

长期从事集成光学与光计算领域研究工作，在光学非线性激活函数、光学深度神经网络芯片、单片集成光学伊辛机芯片、单片集成光学循环计算加速芯片、9bit的光学可编程逻辑阵列、光计算芯片训练和推理等方面获得重要进展，近5年在eLight、Nature Communications、Light Science & Applications、Advanced Photonics、PhotoniX、Optica等光学知名期刊发表论文14篇。主持国家重点研发计划、国家杰出青年基金、国家优秀青年基金等项目，获得全国百篇优秀博士学位论文奖，2次获得湖北省自然科学一等奖，1次获得教育部自然科学一等奖。担任期刊Frontier of Optoelectronics执行主编、全国智能计算标准化委员会委员、中国光学学会纤维光学与集成光学专委会常务委员，作为发起人组织光子学公开课的光电计算专题。

通讯作者

李明，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师。

中国科学院半导体研究所党委委员和学术委员会委员，光电子材料与器件全国重点实验室主任，中国电子学会会士，中国光学工程学会会士，Optica Fellow，半导体学报常务副主编。长期致力于光电融合集成技术研究，在新型光电振荡器、光电智能计算和光电子集成芯片等方面取得了系列研究成果。2012年入选国家高层次人才计划，2015年获得国家自然科学基金优秀青年基金项目，2019年获得国家自然科学基金杰出青年基金项目，发表Nature子刊19篇。先后获得中国光学工程学会科学技术奖一等奖2项、中国通信学会科学技术一等奖1项和二等奖1项。

3 原文传递

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59537-0