[논문 리뷰] Nanophotonic spin-glass for realization of a coherent Ising machine

Yoshitomo Okawachi, Mengjie Yu외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 25.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 56인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 칩스케일 나노포토닉 코herent 이징 머신을 제안하며, 칩 내 실리카 뉴트라이드 마이크로레조너를 사용해 무작위 광학적 양자진동기(도포)를 생성하고 결합한다. 그룹속도 분산을 설계하여 4파동 혼합을 이용함으로써, 400 kHz 재생 속도에서 재구성 가능하고 위상에 관용적인 두 도포 간의 결합을 실현하였다. 이는 시간분할을 사용하지 않고도 빠르고 전적으로 광학적인 계산을 가능하게 하여 NP-어려운 최적화 문제를 해결할 수 있으며, 확장 가능한 광학 이징 머신의 잠재력을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노포토닉 실리카 뉴트라이드(SiN) 마이크로레조너를 사용한 확장 가능한 칩 통합 공명 이징 머신 플랫폼을 개발하기 위해.
• 공명 이징 계산을 위한 칩 내에서 생성되고 위상 재구성 가능한 두 마이크로레조너 기반 도포 간의 결합을 실현하기 위해.
• 시간분할 없이도 고위상 내성과 함께 고속 결정론적 동작을 달성하여 확장 가능한 광학 이징 머신 아키텍처를 지원하기 위해.
• 재구성 가능한 막스-체너 간섭계(MZI) 매트릭스를 사용해 도포 간 임의의 결합 가중치를 구현함으로써 임의의 하밀토니안을 실현하기 위해.
• 시간분할 없이도 NP-어려운 최적화 문제를 광학 공명 계산을 통해 가속화함으로써 반바퀴 브로드캐스트 문제를 해결하기 위해.

제안 방법

• 확장 가능한 통합을 위해 저손실 및 CMOS 호환성의 실리카 뉴트라이드(Si3N4) 포토닉 플랫폼을 사용한다.
• 설계된 정상적인 군속도 분산를 갖춘 마이크로레조너에서의 4파동 혼합(FWM)을 활용해 위상 일치된 무작위 신호 생성을 실현한다.
• 비가역 펌프 두 개를 사용해 주파수가 동일한 두 도포를 생성함으로써 χ(3) 비선형성을 통해 이중위상 상태를 실현한다.
• 임의의 선형 변환을 가능하게 하기 위해 막스-체너 간섭계(MZI) 매트릭스를 사용해 도포 간 재구성 가능한 결합을 실현한다.
• 조정 가능한 가중치를 갖는 2N×2N MZI 네트워크를 사용해 모든 대 모든 결합을 실현하고 임의의 이징 하밀토니안을 지원한다.
• 도포 출력과 위상 상태를 모니터링하기 위해 섬유 기반 편광 제어, 대역통과 필터, 실시간 검출을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리카 뉴트라이드 플랫폼에서 칩 내 마이크로레조너 기반 도포를 고위상 내성으로 성공적으로 생성하고 결합할 수 있는가?
• RQ2 시간분할 없이도 고속(400 kHz)에서 도포 간 재구성 가능한 결합을 달성할 수 있는가?
• RQ3 다양한 결합 위상에서도 결정론적 동작을 유지할 수 있어 확장 가능한 이징 머신 아키텍처를 가능하게 하는가?
• RQ4 MZI 기반 결합 매트릭스의 통합이 단일 광학 칩에서 임의의 하밀토니안을 실현하는 데 기여하는가?
• RQ5 지속적 파동 작동 조건에서 이징 하밀토니안의 기저 상태로의 수렴 속도와 고정밀도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 4파동 혼합을 통해 위상 일치된 무작위 신호 생성을 실현함으로써, 단일 실리카 뉴트라이드 칩 내에서 마이크로레조너 기반 도포 두 개를 성공적으로 생성하고 결합하였다.
• 400 kHz 재생 속도에서 위상에 관용적인 결정론적 동작(동위상 및 반위상)을 실현하였으며, 이는 강력한 결합을 가능하게 하였다.
• 모의 실험 결과 도포 수렴 시간는 Q_int = 1.26×10⁶일 경우 520 ps, Q_int = 10×10⁶일 경우 4.1 ns로 나타나 고속 계산 시간을 시사하였다.
• 전송 측정 결과 파이프웨이브 교차점당 손실이 0.45 dB로 측정되었으며, 다층 설계를 통해 최적화 가능성이 있었다.
• 100 µm × 100 µm 크기의 실리콘 웨이브가이드 기반 다층 MZI 설계를 제안하여 MZI 요소를 미니어처라이제화하고 모든 대 모든 결합 및 임의의 가중치를 실현하였다.
• 장기 캐비티 안정화 없이도 지속적 파동 작동이 가능하며, 시간분할 시스템보다 더 빠른 계산을 가능하게 하였다.