可编程光子集成电路（PICs）通过动态调控单元结构状态实现对光传输路径的精确操控，这一特性使其能够通过软件定义方式智能化地调控光信号传输方向，从而支持实时模拟信号处理。这种独特优势使其在波长路由、光学神经网络及微波光子学等领域展现出广阔的应用前景。随着应用场景日趋复杂多样，可编程PICs向大规模集成发展，但也面临一个关键挑战：如何实现数百至数千个控制单元的全局最优配置，以满足多功能信号处理的需求。传统优化算法（如Dijkstra算法、遗传算法等）由于计算复杂度呈指数级增长，往往难以有效收敛。因此，开发与PICs结构特性相匹配的智能计算模型十分必要，这类模型能够显著提升系统重构能力，从而加速大规模可编程PICs的实用化进程。

近日，中国科学院半导体研究所光电子材料与器件全国重点实验室李明研究员、祝宁华院士团队提出了一种新型的伊辛智能计算驱动光子集成电路重构方案，在人工智能助力光电子芯片实现智能可编程研究中取得突破。该方案充分利用伊辛模型的高效优化能力，实现了可编程光子集成电路的毫秒级动态重构。研究人员将光子单元器件的传输矩阵映射为伊辛自旋态，构建了可编程PICs的完整伊辛模型（图1）。实验结果表明，该方案成功将56×56大规模可编程PICs（包含2000余个单元器件）的重构优化时间缩短至30毫秒，并通过全光路由交换和光电神经网络的功能验证，证实了该方法的实用性和可靠性。

该研究成果以“Scalable and rapid programmable photonic integrated circuits empowered by Ising-model intelligent computation”为题，以封面文章形式发表于《光子学研究》（Photonics Research）。半导体所博士生杨梦涵为论文第一作者，半导体所石暖暖副研究员和李明研究员为论文共同通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金项目（62135014,62235011）、北京市自然科学基金（Z210005）、中国科学院国际伙伴计划（100GJHZ2022028GC）和中国科学院青年创新促进会（2022111）项目的资助和支持。

图1：可编程PICs等效伊辛模型。（a）可编程PICs结构示意图；（b）单元结构MZI的等效伊辛模型；（c）伊辛智能计算求解过程。