读论文 斯格明子拓扑保护抗噪声

一时兴起。
这是比较新的一篇文章，nature photonic 上的；单看标题，应该只是斯格明子特性的初步应用？这有点令我惊讶，按理来说仅仅是因为拓扑稳定性带来的抗干扰特性，早就该该有人做过了。
计划按照研究背景、技术、技术指标、解决的问题来阅读这篇文章。

通读论文

首先读一遍，然后复述一遍。
Nature 子刊的论文似乎都不喜欢分标题，之前那个 D2NN 也是这样子。

概览

与此前纯模拟的光计算不同，光学斯格明子的光计算能引入数字计算，因为其拓扑数是离散的，虽然斯格明子本身是模拟的。本文不仅仅是关于斯格明子本身鲁棒特性，还是关于所谓 spatially varying polarization 的，我姑且翻译为“多样空间偏振”，这涉及斯格明子的本质。
本文通过被动器件实现整数计算，具有良好的抗干扰特性。

介绍

研究背景

首先是光学斯格明子本身——和我之前以为的不同，光学斯格明子似乎是非常新的。
斯格明子有着拓扑数，因此可以携带整数信息，可以与数字信息轻松对接，具有在单个局域模拟光场中存储任意整数的能力。
背景是什么？

• 电子计算因为摩尔定律的放缓，科学界正寻求上限的突破，将目光投向了光计算领域。
• 现有光计算均为模拟计算。模拟计算固有缺点：
  • 噪声影响严重
    • 任何微小噪声与器件误差都会影响结果
    • 物理器件存在非理想特性，无法无限精确
    • 因此精度受限，远远低于数字计算
  • 结果不可复制
    • 纠错困难，误差将会无限积累
    • 难以进行长期的大规模的迭代计算
  • 往往针对单个或者少数任务设计，通用性不足
  • 受限于物理实现规模
    • 物理尺寸受限
    • 存在信号退化现象
  • 难以存储与复用结果
  • 校准复杂，维护成本高
  • 编程困难

技术核心在于？

• 光学斯格明子拓扑数为离散整数
  • 具备数字化特性
  • 具备抗干扰特性

解决了什么问题？

• 首次实现了基于光学斯格明子的离散整数算术运算，具体而言是加减法。
• 证明了：
  • 可行性：光学斯格明子可以在被动光学元件中实现稳健的整数加减
  • 抗干扰：该操作对材料扰动（fabrication disorder) 与 输入噪声 均具有鲁棒性
• 实现了工程化，将实验进一步推广为广义斯格明子（generalized skyrmion）算术框架，使光场能同时携带多个拓扑整数，实现高维信息计算

如何实现的？