光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化在金融領(lǐng)域的應(yīng)用研究

吳永飛 陳 辰 王彥博 李東英

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，大語言模型橫空出世，受到了國內(nèi)外學(xué)者和從業(yè)者的高度關(guān)注。在計(jì)算量如此龐大的今天，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)愈發(fā)難以滿足現(xiàn)有需求。在此背景下，光子計(jì)算依托其特有的計(jì)算優(yōu)勢，有望為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代算力瓶頸的突破提供全新破局之道。本文聚焦光子金融科技中的“光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化”方向，結(jié)合商業(yè)銀行業(yè)務(wù)場景進(jìn)行探索，為光子科技助力金融科技提供創(chuàng)新思路和研究方法。

引言

隨著ChatGPT等大語言模型的橫空出世，其底層的算力需求備受學(xué)界和業(yè)界關(guān)注。面對海量的數(shù)據(jù)和超大模型的計(jì)算需求，傳統(tǒng)基于電子的經(jīng)典算力體系面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。光子計(jì)算得益于其高帶寬、低損耗、低延時(shí)、可高度并行的優(yōu)勢，有望為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代算力瓶頸的突破提供全新破局之道。一直以來，我國高度關(guān)注光子科技的發(fā)展。2015年2月，習(xí)近平總書記親赴中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所考察時(shí)，就詳細(xì)詢問了高功率半導(dǎo)體激光器、光纖溫度傳感器等技術(shù)情況，并強(qiáng)調(diào)“過去我們貧窮弱小，需要自力更生?，F(xiàn)在國力增強(qiáng)了，我們?nèi)砸^續(xù)自力更生，核心技術(shù)靠化緣是要不來的”。本文立足于金融科技視角，聚焦光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方向，結(jié)合商業(yè)銀行業(yè)務(wù)場景進(jìn)行探索，以期為商業(yè)銀行應(yīng)用光子科技提供新思路。

光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化技術(shù)

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代下，隨著各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的不斷深化，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)指數(shù)級增長。特別是在數(shù)據(jù)成為新型生產(chǎn)要素的今天，如何將數(shù)據(jù)在真實(shí)的應(yīng)用場景中“用活”“用巧”“用好”，已成為各行各業(yè)亟待解決的問題。

對于光子金融科技而言，光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化作為光子數(shù)據(jù)治理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻。無論是傳統(tǒng)計(jì)算還是光子計(jì)算，都離不開數(shù)據(jù)算料的支持，但不同的計(jì)算對數(shù)據(jù)算料的要求不同。以光子計(jì)算為例，在進(jìn)行光子計(jì)算之前，首先需要將電信號或其他形式的信息轉(zhuǎn)化為光信號，這就涉及運(yùn)用光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化技術(shù)。同樣，為了從光子計(jì)算中獲取結(jié)果，也需要將光信號轉(zhuǎn)化為電信號或其他形式的信息，這也離不開光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化技術(shù)。因此，光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化是連接光子計(jì)算系統(tǒng)和經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)的橋梁紐帶，既是光子計(jì)算的第一步也是最后一步。正因如此，高效的光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方案不僅能夠提高光子計(jì)算的精度和準(zhǔn)確度，也能夠提升計(jì)算速度，賦能光子計(jì)算技術(shù)的高效性和可用性，值得深入研究。

當(dāng)前，國內(nèi)外已經(jīng)有諸多學(xué)者對光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的方法開展了研究探索。概括而言，常見的光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化技術(shù)方法包括相位編碼、振幅編碼、空間編碼、頻率編碼、時(shí)間編碼及多種編碼綜合運(yùn)用的方案。

相位編碼是將數(shù)字信號通過調(diào)制器件轉(zhuǎn)換為光學(xué)相位的變化，并利用相位差分或相干干涉技術(shù)進(jìn)行信息解調(diào)和處理。1995年，Refregier和Javidi提出了具有開創(chuàng)性的光學(xué)加密方案，并提出了基于傅里葉變換的雙隨機(jī)相位加密方法，該技術(shù)使用了基于4F系統(tǒng)（一種光學(xué)成像系統(tǒng)，可以利用光學(xué)傅里葉變換技術(shù)、光學(xué)相干技術(shù)進(jìn)行二維處理，實(shí)現(xiàn)圖像加減、圖像微分等）的雙隨機(jī)相位編碼[1]。2022年，胡躍強(qiáng)等人提出了一種基于超構(gòu)表面全光衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多任務(wù)智能感知芯片，它能在可見光下執(zhí)行多個(gè)通道的低功耗、極速智能圖像識別任務(wù)，其利用亞波長納米結(jié)構(gòu)的偏振復(fù)用方案，構(gòu)建了一種多通道分類器框架，該架構(gòu)基于極化多路復(fù)用元表面的一種體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多通道的相位編碼[2]。

振幅編碼是將數(shù)字信號通過模擬振幅器件的控制實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)信息的編碼和傳輸。2017年，沈亦晨等人將硅基光電子技術(shù)和深度學(xué)習(xí)進(jìn)行融合，提出一種全光卷積架構(gòu)，在相關(guān)納米光子芯片上實(shí)現(xiàn)了語音識別功能。在該框架中，信號被編碼在集成光子波導(dǎo)中傳播的光脈沖的振幅中[3]。

空間編碼是將數(shù)字信號通過空間光調(diào)制器件轉(zhuǎn)化為形態(tài)和位置的變化，并利用空間濾波、衍射、反射等光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信息處理和識別。2017年，解萬財(cái)?shù)热颂岢隽艘环N基于空間光調(diào)制器的空間編碼方式，該技術(shù)使用單束激光直接產(chǎn)生混合光模式陣列進(jìn)行編碼通信，這對于提高信息傳輸?shù)娜萘坑兄匾淖饔肹4]。

頻率編碼是將數(shù)字信號通過調(diào)制光源的頻率實(shí)現(xiàn)信息的編碼和傳輸。2001年，趙鴻等人應(yīng)用光學(xué)中的頻率編碼法和影像云紋法對短圓柱組合薄殼的屈曲現(xiàn)象進(jìn)行研究，將其運(yùn)用到快堆主容器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模擬實(shí)驗(yàn)中，并取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]。

時(shí)間編碼是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為光脈沖的時(shí)間差，利用光脈沖在光纖中傳播的特性實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和處理。2020年，清華大學(xué)陳宏偉團(tuán)隊(duì)提出了時(shí)間編碼單像素三維成像技術(shù)，利用超快的時(shí)間編碼進(jìn)行空間調(diào)制，大大提高了編碼調(diào)制速度，最終使得三維成像速度也得到了巨大的提升[6]。

此外，還有諸多學(xué)者對多種編碼綜合方式進(jìn)行了研究探索。2015年，涂顏帥提出了一種基于時(shí)間頻率編碼的高速三維測量方案，該方案在不改變相機(jī)幀率的前提下，充分利用了高速投影儀的幀率，提高了測量速度，降低了成本[7]。2018年，Lin等人提出了一種全光衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（D2NN）架構(gòu)，能對MNIST手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集和Fashion-MNIST時(shí)尚產(chǎn)品數(shù)據(jù)集進(jìn)行有效分類，在對MNIST手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集進(jìn)行分類時(shí)，輸入數(shù)字被編碼到D2NN輸入場的振幅通道中；而對Fashion-MNIST時(shí)尚產(chǎn)品數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類時(shí)，將目標(biāo)時(shí)尚產(chǎn)品圖像數(shù)據(jù)編碼到輸入平面相位通道中[8]。

不同的編碼方式具有不同的特點(diǎn)，需要按照研究問題和使用光子計(jì)算方法選擇合適的光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方式進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，為光子計(jì)算提供前期的算料支撐。以光子全同態(tài)加密為例，由于其隱私性、保密性和量子安全等特性，在金融領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。在全同態(tài)加密領(lǐng)域中，基于光學(xué)器件的快速傅里葉變換方案，由于依靠光學(xué)物理過程完成傅里葉變換，具有比當(dāng)前基于電芯片的數(shù)論變換方案快幾個(gè)數(shù)量級的巨大潛力。業(yè)界已有基于光學(xué)傅里葉變換的全同態(tài)加密方案，可將復(fù)數(shù)域的數(shù)字信號通過振幅編碼和相位編碼的方式調(diào)制到光上。此外，由于密文數(shù)據(jù)相比明文數(shù)據(jù)膨脹達(dá)上萬倍，光子通信技術(shù)可以滿足全同態(tài)加密計(jì)算中巨大的數(shù)據(jù)帶寬需求，而光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化同樣對光子通信的精度和速度都有重要影響。

光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化在金融場景中的應(yīng)用

2023年4月，吳永飛等人在《銀行家》雜志發(fā)表題為《光子計(jì)算在金融領(lǐng)域的研究應(yīng)用——聚焦“光子金融科技”新方向》的文章，首次提出了光子科技和金融科技相結(jié)合的“光子金融科技”概念，支持將光子科技批量化引入金融科技業(yè)務(wù)場景。文章中提到了光子計(jì)算在風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值計(jì)量和銀行賬戶欺詐識別兩類金融業(yè)務(wù)場景的應(yīng)用，其核心是依托光子計(jì)算低能耗、高速率等特性，完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算，達(dá)到對當(dāng)前頂端GPU計(jì)算效率的超越[9]。

上述金融場景是運(yùn)用了一種可編程光學(xué)矩陣乘法器的實(shí)現(xiàn)方法，屬于“相位編碼”范疇，該系統(tǒng)在物理層面主要包括光芯片和電芯片，兩塊芯片由3D倒裝堆疊的方式封裝在一起。在物理層面，所有的光器件都集成在一塊光芯片上，而光芯片的控制電路和內(nèi)存都部署在電芯片上。電芯片上除了光芯片的控制電路和內(nèi)存之外，還有一部分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及其他的業(yè)務(wù)邏輯電路。功能層面主要包括信號輸入、處理和輸出三大部分。光芯片主要負(fù)責(zé)高速矩陣乘法運(yùn)算，電芯片主要有三大功能，即光芯片的驅(qū)動(dòng)控制、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換功能和其他非矩陣乘法的運(yùn)算。

對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過程，主要使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器、光調(diào)制器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成對數(shù)字電信號、模擬電信號和光信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。主要包括在權(quán)重加載和數(shù)據(jù)加載階段，使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字電信號的數(shù)據(jù)和權(quán)重轉(zhuǎn)化為模擬電信號，而后使用光調(diào)制器將模擬電信號轉(zhuǎn)化為光信號。具體步驟如下：在權(quán)重加載和數(shù)據(jù)加載階段，首先在數(shù)字電路上通過合適的編譯把數(shù)據(jù)和權(quán)重調(diào)制到合適的周期，在給定的時(shí)間周期內(nèi)，運(yùn)用數(shù)模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字電信號的數(shù)據(jù)和權(quán)重轉(zhuǎn)成模擬電信號，再利用模擬電信號去驅(qū)動(dòng)光芯片上的光調(diào)制器，而后光調(diào)制器將信號調(diào)制到光信號上。在結(jié)果解碼階段，輸出的光信號在被光學(xué)接收器接收后，光信號被解調(diào)成模擬電信號，這些模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號，作為矩陣運(yùn)算的結(jié)果供后續(xù)運(yùn)算使用。

通過上述方法對金融相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，并利用光子計(jì)算對問題進(jìn)行求解，達(dá)到遠(yuǎn)超CPU和GPU的運(yùn)算效果，體現(xiàn)了光子計(jì)算優(yōu)勢。

結(jié)語

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代下，光子金融科技應(yīng)運(yùn)而生。在光子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的過程中，離不開將經(jīng)典數(shù)據(jù)向光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的過程，不同的計(jì)算問題、不同的光子算法，所使用的光子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方式各有不同，也各具優(yōu)勢。未來應(yīng)繼續(xù)深入研究光子金融科技背景下不同光子計(jì)算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方式，推進(jìn)光子數(shù)據(jù)治理，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代下全社會廣泛運(yùn)用光子科技提供相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。