[论文解读] 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 14

一句话总结

该论文提出了一种基于片上氮化硅微腔的芯片级纳米光子相干伊辛机，利用片上硅氮烷（SiN）微腔生成并耦合简并光学参量振荡器（DOPOs）。通过利用具有工程化正常群速度色散的四波混频，作者实现了在400 kHz再生速度下可重构、相位容限的两个DOPO之间的耦合，从而实现快速、全光计算，用于求解NP难优化问题，具有可扩展光子伊辛机的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于纳米光子硅氮烷（SiN）微腔的可扩展、片上集成相干伊辛机平台。
• 在片上实现基于微腔的两个DOPO的生成与可重构相位耦合，用于相干伊辛计算。
• 实现高速、确定性运行并具备高相位容限，以支持无需时分复用的可扩展光子伊辛机。
• 通过可重构马赫-曾德尔干涉仪（MZI）矩阵实现DOPO之间的任意耦合权重，以实现任意哈密顿量。
• 通过光子相干计算加速NP难优化问题，以突破冯·诺依曼瓶颈。

提出的方法

• 采用具有低传播损耗和CMOS兼容性的氮化硅（Si₃N₄）光子平台，实现可扩展集成。
• 在微腔中利用四波混频（FWM），通过工程化设计的正常群速度色散实现相位匹配的简并信号生成。
• 通过两个非简并泵浦实现频率简并的DOPO生成，利用χ(3)非线性实现双相态。
• 利用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）矩阵实现DOPO之间的可重构耦合，以实现任意线性变换。
• 采用2N×2N MZI网络实现全连接耦合，可调权重，支持任意伊辛哈密顿量。
• 采用基于光纤的偏振控制、带通滤波器和实时检测，以监测DOPO输出和相位状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硅氮烷平台上，能否实现基于片上微腔的DOPO的高相位容限生成与耦合？
• RQ2 能否在不使用时分复用的情况下，以高速（400 kHz）实现DOPO之间的可重构耦合？
• RQ3 系统能否在不同耦合相位下保持确定性运行，从而支持可扩展的伊辛机架构？
• RQ4 基于MZI的耦合矩阵集成能否实现在单个光子芯片上实现任意哈密顿量？
• RQ5 系统能否在连续波操作下实现伊辛哈密顿量基态的快速收敛与高保真度？

主要发现

• 通过具有相位匹配的简并信号生成的四波混频，成功在单个硅氮烷芯片上实现了基于微腔的两个DOPO的生成与耦合。
• 系统在400 kHz再生速度下表现出确定性的同相与反相运行，具有较大的相位容限，实现了鲁棒耦合。
• 仿真结果表明，DOPO在520 ps（Q_int = 1.26×10⁶）和4.1 ns（Q_int = 10×10⁶）内收敛，表明计算时间极快。
• 传输测量显示，每根波导交叉处的损耗为0.45 dB，通过多层结构设计具有进一步优化的潜力。
• 提出采用硅波导的多层MZI设计，将MZI元件尺寸缩小至100 µm × 100 µm，实现全连接耦合与任意权重。
• 该平台支持连续波操作，无需长腔稳定，计算速度优于时分复用系统。