导读
在股票市场中，交易速度往往直接决定竞争优势，高频交易因此成为对计算延迟要求最为苛刻的真实世界应用之一。尽管基于 FPGA 的电子交易系统已被优化至接近物理极限，其延迟仍受制于电子计算的固有限制。近日，美国普林斯顿大学Paul Prucnal和张伟鹏团队提出并验证了一种可扩展的光子神经元架构，通过在光学域内直接完成计算，实现皮秒级数据处理能力。该工作为“光速交易”提供了全新的硬件实现路径，同时也为构建可实际部署的神经形态光子计算系统奠定了基础。相关研究成果以 “Compact, Reconfigurable, and Scalable Photonic Neurons by Modulation-and-Weighting Microring Resonators” 为题发表于eLight（影响因子32.1，入选两期卓越计划）。张伟鹏和王语馨为本文章共同一作，Paul Prucnal和张伟鹏为共同通信作者。
随着金融市场自动化和信息密集程度的不断提升，高频交易对计算延迟提出了极端苛刻的要求。在这一领域中，即使是纳秒级的时间差，也可能带来显著的收益或损失。目前，最快的交易系统主要依赖 FPGA 等电子处理器，它们代表了传统电子技术所能实现的最低延迟水平。然而，电子计算不可避免地受到时钟频率、模数转换以及复杂电子信号路径的限制，使得延迟性能逐渐逼近物理极限，进一步提升变得愈发困难。
光子计算因其超高带宽和极低传播延迟，被视为突破电子瓶颈的重要方向。然而，现有光子神经计算方案在可扩展性方面仍面临严峻挑战。一些方案依赖大尺寸光学结构，导致器件面积迅速增长；而基于微环谐振器的紧凑实现虽然具有高集成潜力，却受到严格光谱对准要求的限制，系统规模一旦扩大便难以稳定运行。这些问题长期制约了能够处理复杂真实数据的大规模光子神经元的实现。
本研究针对光子神经计算长期面临的可扩展性瓶颈，提出了一种全新的光子神经元架构设计。该架构以器件级的功能整合为核心，使光子神经形态计算不再局限于少量权重或小规模演示，而是具备向更大规模扩展、处理复杂真实数据的潜力。通过在架构层面系统性地降低复杂度与对准需求，该工作为构建实用化光子神经网络奠定了基础。
图1：基于调制与加权微环谐振器阵列的光子神经元工作原理。（a）典型的基于微环谐振器（MRR）的光子神经元结构，包括多波长激光器阵列、环形调制器阵列、基于 MRR 的权重阵列以及平衡型光电探测器。（c）本文提出的方案，将调制与加权功能统一集成于单一 MRR 阵列中，并采用单端光电探测器，从而显著降低系统复杂度与器件占用面积。（c–e）所提出 MRR 阵列的三种可配置工作模式，分别对应前馈神经元、短期记忆以及同时具有短期和长期记忆的组合模式
研究团队将信号调制与权重控制这两项传统上由不同光子器件实现的功能，统一集成于单个微环谐振器中。该设计显著减少了系统中需要进行光谱对准的独立光学元件数量，从根本上缓解了微环谐振器体系在规模扩展时面临的关键瓶颈。相比需要多个调制器和权重器件协同工作的传统方案，该架构在保持紧凑器件尺寸的同时，大幅提升了系统的稳定性与可扩展性。
除基本的加权求和功能外，该光子神经元架构还具有良好的可重构性。通过引入简单的电反馈路径，同一光子神经元即可被配置为不同工作模式，实现前馈计算，或引入短期与长期记忆。该特性使光子神经元能够有效捕获时间序列数据中的近期变化与长期趋势，从而显著增强其在真实世界动态任务中的处理能力，突破了传统光子计算仅适用于静态或瞬时计算的限制。
作为概念验证，研究人员将所提出的可扩展光子神经元架构应用于高频交易这一对延迟极为敏感的真实世界任务。实验中，单个光子神经元即可对连续的金融时间序列数据进行实时处理，并在多个股票标的上获得整体为正的累计收益。进一步的实验还表明，在引入短期或长期历史信息后，系统的性能与稳定性均得到提升。这些结果不仅验证了该架构在极端低延迟场景下的可行性，也展示了其在处理复杂时间序列数据方面的潜力。
图2：光子高频交易处理器示意图。上方一行显示单个交易日内的股票价格走势。光子神经元可对连续的 10 个价格数据点进行处理，并生成用于“买入、卖出或持有”决策的指标
总结与展望
本研究提出并实验验证了一种可扩展、可重构的光子神经元架构，为解决光子神经计算长期面临的可扩展性问题提供了切实可行的解决方案。通过在器件层面统一调制与加权功能，并引入灵活的时间记忆机制，该架构不仅实现了皮秒级超低延迟计算，也使构建更大规模光子神经元和光子神经网络成为现实。
超越高频交易这一代表性应用，该架构在实时信号处理、通信系统和自适应控制等复杂真实世界任务中同样具有广阔前景。其紧凑性、可重构性以及与标准光子集成工艺的良好兼容性，使得可工业化部署的神经形态光子计算机变得更加现实。该工作标志着光子计算从原理验证迈向实用系统的重要一步，有望推动智能计算范式从电子时代走向真正的光速时代。（来源：中国光学微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-026-00122-3
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