[论文解读] A Spin Hall Ising Machine

Afshin Houshang, Mohammad Zahedinejad+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 37被引用 6

一句话总结

该论文展示了一种基于自旋霍尔纳米振荡器（SHNO）阵列的可扩展、室温运行的伊辛机，通过二次谐波注入锁定（SHIL）实现相位二值化，从而实现稳定、全局同步的自旋态。利用相位分辨布里渊散射（BLS）显微镜，作者直接观测并区分简并相位态，证实该系统可在GHz频率下通过伊辛哈密顿量动力学求解组合优化问题，具备CMOS兼容性与低功耗特性。

ABSTRACT

Ising Machines (IMs) are physical systems designed to find solutions to combinatorial optimization (CO) problems mapped onto the IM via the coupling strengths of its binary spins. Using the intrinsic dynamics and different annealing schemes, the IM relaxes over time to its lowest energy state, which is the solution to the CO problem. IMs have been implemented in quantum, optical, and electronic hardware. One promising approach uses interacting nonlinear oscillators whose phases have been binarized through injection locking at twice their natural frequency. Here we demonstrate such Oscillator IMs using nano-constriction spin Hall nano-oscillator (SHNO) arrays. We show how the SHNO arrays can be readily phase binarized and how the resulting microwave power corresponds to well-defined global phase states. To distinguish between degenerate states we use phase-resolved Brillouin Light Scattering (BLS) microscopy to directly observe the individual phase of each nano-constriction.

研究动机与目标

• 开发一种基于纳米约束自旋霍尔纳米振荡器（SHNO）作为物理节点的可扩展、室温运行的伊辛机，用于组合优化。
• 通过二次谐波注入锁定（SHIL）实现SHNO的相位二值化，使其稳定处于0或π相位态，从而满足伊辛自旋表示的需求。
• 利用相位分辨布里渊散射（BLS）显微镜分辨并区分SHNO阵列中的简并相位构型，以克服伊辛机中的状态简并问题。
• 通过微波功率和相位测量验证系统将问题映射并求解最大割问题（Max-Cut）的能力，基于伊辛哈密顿量。
• 建立一种可扩展的、与CMOS兼容的平台，用于未来大规模伊辛机，具备高频运行与低功耗特性。

提出的方法

• 采用具有电压控制磁各向异性的自旋霍尔纳米振荡器（SHNO）阵列，实现在GHz频率下的可调自激振荡。
• 通过在SHNO自然频率两倍的微波信号注入实现二次谐波注入锁定（SHIL），强制其相位二值化为0或π态。
• 利用微波功率测量检测全局相位态：反相态（如<↓↑↑↓>）对应低功率，同相态（如<↓↓↓↓>）对应高功率。
• 通过在注入频率（f）一半的频率上调制探测光相位，实现相位分辨布里渊散射（BLS）显微镜，利用与弹性散射光的干涉测量每个SHNO的相对相位。
• 采用6次通过的串联法布里-珀罗干涉仪与单通道雪崩光电二极管，实现高空间分辨率（光束直径~300 nm）与高相位灵敏度（5.6°分辨率）的BLS信号检测。
• 使用三轴纳米级分辨率平台并配合主动稳定系统，对单个SHNO的相位依赖BLS计数进行精确线性扫描。

实验结果

研究问题

• RQ1 SHNO阵列能否通过SHIL实现相位二值化，形成稳定且适用于伊辛自旋表示的0或π相位态？
• RQ2 相位分辨BLS显微镜能否分辨并区分SHNO阵列中的简并相位构型（如<↓↑↑↓>与<↓↓↑↓>）？
• RQ3 外加磁场与注入锁定功率如何影响SHNO阵列中全局相位态的选择？
• RQ4 该SHNO伊辛机在多大程度上可扩展至大规模阵列，同时保持相位相干性与可控性？
• RQ5 电压控制磁各向异性和集成磁隧道结能否实现完全电控、低功耗且可扩展的伊辛机？

主要发现

• SHNO阵列通过SHIL成功实现相位二值化，微波功率测量清晰区分了同相态（<↓↓↓↓>）与反相态（<↓↑↑↓>）的全局相位态。
• 相位分辨BLS显微镜直接观测并分辨了2×2阵列中每个SHNO的相对相位，确认了SHNO 3相对于其他SHNO处于180°反相的<↓↑↑↓>态。
• 在H = 5980 Oe且P_IL = +4 dBm条件下，系统呈现低微波功率态，对应反相构型，BLS扫描结果证实各SHNO间存在180°相位差。
• 将磁场增至6000 Oe后，系统发生相变，进入完全同相的<↓↓↓↓>态，BLS扫描显示所有四个SHNO相位行为一致。
• BLS相位扫描显示信号强度与注入相位角呈正弦依赖关系，其中SHNO 3表现出反相响应，从而可明确识别简并态。
• 所展示的系统可扩展至10×10 SHNO阵列，具有强互耦合特性；CoFeB基SHNO中的电压控制磁各向异性为未来伊辛机的全集成与电控调节提供了潜在可能。