ナノテク情報

デバイス・応用

100,000スピン コヒーレントイジングマシンを実現 ~世界最大級の光計算機による大規模組合せ最適化問題の高速な解探索を実証~

 日本電信電話株式会社(NTT)は2021年9月30日,大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 国立情報学研究所(NII)と共同で,10万個の縮退光パラメトリック発振(DOPO)パルスからなる大規模コヒーレントイジングマシン(CIM)を実現したと発表した.本研究は内閣府の革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)等の支援を受けて行われ,本成果は米国の科学誌Science Advancesに掲載された(注).

 現代コンピュータを支える半導体CMOS回路の微細化技術が限界に近づいている.そこで,コンピュータが苦手とする問題を物理現象を用いて効率よく解く研究が盛んに行われている.例えば,組合せ最適化問題をスピン群の理論モデル(イジングモデル)の最低エネルギーを求める問題に変換し,これを物理システムを用いた実験で解く「イジング型計算機」が注目されている.超伝導素子を用いた量子アニーリング装置では,既に数千のスピンからなるイジング問題の解探索が可能となっている.

 CIM(Coherent Ising Machine)は,0またはπの位相のみで光発振するDOPO(Degenerate Optical Parametric Oscillator)を用いてスピンの上向き・下向きを模擬し,常温で動作するイジング型の光計算機である.2016年にNTT,NII等からなる共同研究チームが,2048個のDOPOパルスの全結合を実現するCIMを発表した.このCIM装置を用いて2000要素の組合せ最適化問題を解き,現代のCPUを用いた焼きなまし法(Simulated Annealing: SA)よりも高速に解が得られたが,高速化は数十倍程度であった.

 今回,開発したCIMは,最大10万スピン間を100億結合するイジングモデルを実装する光計算機である.5kmの偏波保存光ファイバリング中に周期分極反転ニオブ酸リチウム(Periodically Poled Lithi-um Niobate: PPLN)導波路を挿入して位相感応増幅器(Phase Sensitive Amplifier: PSA)を配置し,ペルチエ素子により内部温度を±0.05℃に制御してファイバ伸縮を抑制,ピエゾ素子を用いたフィードバック制御により位相安定化を図った.また,高分解能フォトリソグラフィとドライエッチングの適用により,PPLN導波路の屈折率ゆらぎを低減し効率を向上させた.波長780nmの励起光パルスを周期2ns間隔で入力すると,PSAを多数回通過するうちにDOPOパルス(波長1560nm)が0位相またはπ位相で発振し,時間的に一列に並んだ12万個以上のDOPOパルスが得られる.このうち100,512パルスに対して平衡ホモダイン検出器で位相・振幅を測定し,新規に開発した高速行列演算回路で積算する.積算結果は,各DOPOパルスへのフィードバック信号としてDOPOパルスと同一波長の光パルスを変調し,光ファイバリングに挿入して数十周~数百周する間に安定化したDOPOパルス位相を読み出し,10万要素の大規模組合せ最適化というイジング問題の近似解を600μsで得,SAによる0.7sより1000倍高速化できた
今後は,開発したCIMを用いて,創薬の候補物質探索や機械学習などのサンプリング問題への適用に向けた基礎研究を進める,としている.

(注)Toshimori Honjo, Tomohiro Sonobe, Kensuke Inaba, Takahiro Inagaki, Takuya Ikuta, Yasuhiro Yamada, Takushi Kazama, Koji Enbutsu, Takeshi Umeki, Ryoichi Kasahara, Ken-ichi Kawarabayashi, Hiroki Takesue, "100,000-spin coherent Ising machine", Science Advances, 29 Sep 2021oVol 7, Issue 40oDOI: 10.1126/sciadv.abh0952