[論文レビュー] Nanophotonic spin-glass for realization of a coherent Ising machine

Yoshitomo Okawachi, Mengjie Yu+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 56被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、チップスケールのナノフォトニクス結合イジングマシンを提案し、集積シリコンナ nitride（SiN）マイクロレゾネーターを用いて、縮退的光パラメトリック発振器（DOPO）を生成および結合する。工程速度400 kHzで再構成可能で位相耐性を持つDOPO間結合を実現した。四波混合と設計された正の群速度分散を活用することで、時間多重化を用いず、高速で全光的計算を実現し、NP困難な最適化問題を解くためのスケーラブルなフォトニクス的イジングマシンの可能性を示した。

ABSTRACT

The need for solving optimization problems is prevalent in a wide range of physical applications, including neuroscience, network design, biological systems, socio-economics, and chemical reactions. Many of these are classified as non-deterministic polynomial-time (NP) hard and thus become intractable to solve as the system scales to a large number of elements. Recent research advances in photonics have sparked interest in using a network of coupled degenerate optical parametric oscillators (DOPO's) to effectively find the ground state of the Ising Hamiltonian, which can be used to solve other combinatorial optimization problems through polynomial-time mapping. Here, using the nanophotonic silicon-nitride platform, we propose a network of on-chip spatial-multiplexed DOPO's for the realization of a photonic coherent Ising machine. We demonstrate the generation and coupling of two microresonator-based DOPO's on a single chip. Through a reconfigurable phase link, we achieve both in-phase and out-of-phase operation, which can be deterministically achieved at a fast regeneration speed of 400 kHz with a large phase tolerance. Our work provides the critical building blocks towards the realization of a chip-scale photonic Ising machine.

研究の動機と目的

• ナノフォトニクス的シリコンナ nitride（SiN）マイクロレゾネーターを用いた、スケーラブルでチップ内統合可能な共鳴イジングマシンのプラットフォームを開発すること。
• 共鳴イジング計算のための、再構成可能で位相再構成可能な2つのマイクロレゾネーター基盤DOPOのチップ内生成と結合を実証すること。
• 時間多重化を用いず、高い位相耐性を備えた高速で決定論的な動作を達成し、スケーラブルなフォトニクス的イジングマシンを実現すること。
• 再構成可能なマハチンザインダーフェロメータ（MZI）マトリクスを用いて、任意のハミルトニアン実装を可能にする、DOPO間の任意の結合重みを実現すること。
• NP困難な最適化問題の高速化を図り、フォトニクス的共鳴計算によってバーナウマンのボトルネックを克服すること。

提案手法

• スケーラブル統合を可能にする低損失かつCMOS準拠のシリコンナ nitride（Si3N4）フォトニクスプラットフォームを用いる。
• 設計された正の群速度分散を有するマイクロレゾネーターにおける四波混合（FWM）を用いて、位相一致した縮退的信号生成を実現する。
• 非縮退ポンプ2つを用いて周波数が一致する2つのDOPOを生成し、χ(3)非線形性による二位相状態を実現する。
• 任意の線形変換を可能にするMZIマトリクスを用いて、DOPO間の再構成可能な結合を実装する。
• 2N×2NのMZIネットワークを用いて、任意の重みを持つ全結合を実現し、任意のイジングハミルトニアンをサポートする。
• ファイバーベースの偏光制御、バンドパスフィルタ、リアルタイム検出を用いて、DOPO出力および位相状態をモニタリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンナ nitrideプラットフォーム上でのマイクロレゾネーター基盤DOPOの高精度な位相耐性を有する生成と結合が可能か？
• RQ2 時間多重化を用いず、高速（400 kHz）なDOPO間の再構成可能な結合が達成可能か？
• RQ3 さまざまな結合位相においても決定論的な動作を維持でき、スケーラブルなイジングマシンアーキテクチャの実現が可能か？
• RQ4 MZIベースの結合マトリクスの統合により、1枚のフォトニクスチップ上で任意のハミルトニアン実装が可能か？
• RQ5 連続波動作を用いて、イジングハミルトニアンの基底状態への高速収束と高忠実度が達成可能か？

主な発見

• 四波混合と位相一致した縮退的信号生成を用いて、1枚のシリコンナ nitrideチップ上にマイクロレゾネーター基盤DOPOを2つ効果的に生成および結合した。
• 400 kHzのリジェネレーション速度で位相耐性が大きく、位相一致および位相反転の両方が決定論的に行われ、耐障害性の高い結合が実現された。
• シミュレーションでは、DOPOの収束時間がそれぞれ520 ps（Q_int = 1.26×10⁶）および4.1 ns（Q_int = 10×10⁶）で達成され、高速な計算時間を示した。
• 伝送測定から、1つの波ガイド交差あたり0.45 dBの損失が観測され、多層構造による最適化の可能性が示された。
• 100 µm × 100 µmの小型化された多層MZI設計（シリコン波ガイドを用いて）を提案し、任意の重みを持つ全結合を実現した。
• 長時間キャビティ安定化を要せず連続波動作をサポートするため、時間多重化システムよりも高速な計算が可能となった。