近日，「图灵量子」、上海交大集成量子信息技术技术研究中心（IQIT）、上海交大无锡光子芯片研究院（CHIPX）合作发表创新成果。上海交大金贤敏团队在美国物理学权威应用期刊Physical Review Applied上以「Scalable and programmable three-dimensional photonic processor」为题发表最新研究成果，提出了一种基于非冯诺依曼计算框架下的可编程三维光子芯片处理器，展示了求解图论研究领域中最大团问题（Maximum Clique Problem）的通用解法。基于非冯诺依曼结构底层并行计算框架设计，该研究展示了光子处理器有望超越电子计算机实现「光子计算优势」的巨大潜力。同时，研究人员还通过构建「药效团」模型，将分子对接（一种药物设计的重要方法）问题映射到最大团问题，搜索蛋白质（受体）和药物分子（配体）最佳对接构象，展示了光子处理器在解决实际应用——分子对接问题的实用性。该项研究成果被遴选为「编辑推荐」（Editors' Suggestion）。

Physical Review Applied 官网截图

电子计算机经过几十年的发展，其运算能力已经取得了突飞猛进的进步。然而即便是性能最优越的超级计算机，也不能很好地解决NP这类运算量随问题规模指数增长的数学问题。NP问题是否存在多项式时间内的算法（即P？=NP），仍然是学术界的一个开放性问题。目前大多数研究学者倾向于P≠NP。

研究团队解决的正是这类经典计算机难以求解的最大团问题（Maximum Clique Problem）。在图论中，一个简单的无向图G=（V，E）被定义为一组由顶点V和边E构成的集合。团C是无向图G的一个子集（C∈G），其中团C满足任意两个顶点之间都存在边相连。给定一个任意简单的有限图，最大团问题（Maximum Clique Problem）研究的是：哪个团或哪些团的规模最大？

研究团队将最大团问题（Maximum Clique Problem）的求解算法映直接射到飞秒激光直写三维光子芯片的波导网络当中。通过特殊的波导结构设计，将待求解图上的边与芯片不同通道的输入波导一一对应，同时将所有的子图（候选解）与输出波导一一映射。利用FPGA控制不同通道处激光器的开关，实现对注入光子状态的编码，从而完成对三维光子处理器的编程。

三维可编程光子处理器结构示意图。（a）实验装置原理图。(b)五节点无向图。(c)芯片内部波导示意图。(d)单层波导分束网络结构图。(e)波导分束器结构图。(f)芯片出射截面，波导分布图。

如同电信号在电子计算机所起的作用，研究团队以光子作为计算载体。当携带信息的编码光子在芯片中沿波导传播时，计算过程就被激活，而当光子从芯片出射时，携带计算结果的光子就会被读取单元的CCD记录下来。最终根据CCD记录的光子到达信息，就可以推断出最大团问题（Maximum Clique Problem）的计算结果。由于光子在芯片中并行传输，并且芯片内部的波导结构既编码了候选解信息同时也是计算处理单元「存算一体」，因此研究团队实现了基于非冯诺依曼结构光子并行计算处理器的研制。

实验结果展示。（a）-（b）分别为随机生成的五节点图以及六节点图的实验记录及最大团的求解结果。

为了评估光子处理器方案的时间消耗性能，研究人员通过将光子处理器与性能优越的电子计算机进行对比。模拟结果显示，当问题规模分别达到14,17和32的时候，光子处理器时间消耗性能将超越CPU、GPU和超级计算机，有望实现「光子计算优势」。

光子处理器与CPU、GPU以及超级计算机时间消耗性能的对比。

进一步，上海交大研究团队和「图灵量子」的生物信息专家经过讨论，共同研究了光子处理器在解决实际问题（分子对接问题）中的应用。分子对接是一种通过分析蛋白质（受体）特性以及药物分子（配体）之间相互作用进行药物设计的方法，其在生物学和药物学的研究中具有重要意义。小分子配体和大分子蛋白质受体之间由于相互作用会形成的不同的三维构象。分子对接的目的是在这些不同构象中寻找出最佳的匹配模式。

通过采用「药效团」模型，将受体和配体的对接过程抽象成不同药效团节点之间的相互结合过程。理论上，配合和受体上的药效团两两之间都会通过接触形成不同的药效团对。但是考虑实际的物理场景，不是每种结合方式都满足化学匹配性，以及空间相容性。研究人员通过引入图模型，将满足匹配关系和相容性的药效团对表示成结合作用图上的顶点和边。搜索分子对接的最佳匹配模式等价于找到可以共存的药效团对的最大集合，即求解结合作用图上的最大团问题（Maximum Clique Problem）。通过上述过程的转换，研究团队将分子对接问题映射到了最大团问题（Maximum Clique Problem），并最终通过光子处理器方案进行求解，验证了光子处理器的实用性。

在上述研究过程中，「图灵量子」的生物学专家团队为整个项目的研究进展提供了关键的药物设计领域的知识支撑以及宝贵的生物样本数据。上海交通大学集成量子信息技术研究中心与「图灵量子」研究团队的通力合作，进一步推动学科交叉创新和融合发展，是一次跨界合作的重要典范。

将分子对接问题映射到最大团问题进行求解的过程。（a）受体（3MZ3）和配体（B3N）的「药效团」模型。（b）受体和配体上「药效团」之间的自由组合。（c）「药效团」之间化学匹配规则。（d）「药效团」对之间空间匹配条件。（e）「药效团」对之间的相容关系图。（f）受体和配体之间最佳对接配置。（g）预测3MZ3蛋白质（受体）和B3N药物分子（配体）之间的最三维构象。

并行计算能力和可编程能力的结合为光子计算高效解决实际问题提供了无限可能。未来，研究团队将研究更多NP问题映射到三维光子芯片的解决方案，并积极拓展光子计算解决实际问题的领域，向更强算力，更大规模，更加实用化的方向迈进。

研究团队感谢「图灵量子」、上海交大无锡光子芯片研究院（CHIPX）与上海交大集成量子信息技术技术研究中心（IQIT）的合作。并感谢上海市科委重大项目、国家自然科学基金重点项、国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。上海交通大学集成量子信息技术研究中心博士谭曦为论文第一作者，金贤敏教授为论文通讯作者。

文献链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.044041