JP2015207032A - Arithmetic device and arithmetic method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an arithmetic device that is easy to downsize and integrate, and does not require the detailed adjustment of an optical system.SOLUTION: The arithmetic device comprises: parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 that are coupled with each other; oscillators 2-1 to 2-3 for parametrically exciting the drive parts of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 at the same time and capable of individually controlling the amplitude and phase of the excitation for each of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3; lock-in amplifiers 3-1 to 3-3 for individually detecting the vibration phases of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3; and an arithmetic processing unit 4 which, assuming that the vibration phases of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 correspond to an ising spin state, assigns a value representing this ising spin state to a prescribed expression and obtains a problem solution.

Description

本発明は、入力された数値の組に対する問題の解を得る演算装置および演算方法に関するものである。   The present invention relates to a calculation device and a calculation method for obtaining a solution to a problem for a set of input numerical values.

近年、NP困難あるいはNP完全などと呼ばれるカテゴリーの問題を、イジングモデルと呼ばれる力学系を用いて解く手法が提案されている。これまで与えられたバイナリ情報に対する問題の解を求める目的で汎用の論理演算装置が用いられていたが、NP困難あるいはNP完全と呼ばれるカテゴリーの問題は、ビット数をNとしたとき、汎用の論理演算装置ではNの多項式時間で解くことができない問題であるため、ビット数の増加に伴い極めて長時間にわたる計算が必要となる。一方、イジングモデルとは、イジングスピンと呼ばれる2値変数σi=±1を用いて、系のエネルギーが次式で与えられる力学系である。 In recent years, a method for solving a category problem called NP difficulty or NP complete using a dynamic system called an Ising model has been proposed. A general-purpose logic operation device has been used for the purpose of finding a solution to a problem for binary information given so far. However, a problem in a category called NP difficult or NP-complete is a general-purpose logic when the number of bits is N. Since it is a problem that cannot be solved in N polynomial times in an arithmetic device, calculation over a very long time is required as the number of bits increases. On the other hand, the Ising model is a dynamic system in which the energy of the system is given by the following equation using a binary variable σ i = ± 1 called Ising spin.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

多くのNP困難あるいはNP完全と呼ばれる問題は、この系のエネルギー最小値を与えるσiの組を求めることで解くことができることが証明されている。
例えば、NP完全であることが知られている問題の1例である分割問題について考える。分割問題とは、与えられたN個の整数a1,・・・,aNを2つの集合に分け、各々の集合内の数の和が、もう一方の集合内の数の和と等しくなるようにできるかどうかを判定する問題である。容易に理解できるように、この問題は以下のイジングモデルにおいて、最低エネルギーが0になるかどうかを調べることによって解くことができる。
It has been proved that many problems called NP difficulty or NP perfect can be solved by obtaining a set of σ i giving the energy minimum value of this system.
For example, consider a partitioning problem which is an example of a problem known to be NP-complete. The division problem is to divide a given N integers a 1 ,..., A N into two sets, and the sum of the numbers in each set is equal to the sum of the numbers in the other set. It is a problem to determine whether or not it can be done. As can be easily understood, this problem can be solved by examining whether the minimum energy is zero in the following Ising model.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

すなわち、式(2)が0となるσiの組に対し、σi=1を与える組と、σi=−1を与える組とにaiを分類すれば、それぞれの組におけるaiの総和は、2つの組で等しくなる。このように、多くのNP困難あるいはNP完全と呼ばれる問題が、イジングモデルのエネルギー最小値を求めるという問題に帰着することが証明されており、イジングモデルを現実の物理系を用いた演算装置、すなわちイジングマシンとして実装することにより、汎用の論理演算装置よりにはるか高速に演算が行える可能性が指摘されている。 That is, for a set of sigma i as the equation (2) is 0, sigma a set providing a i = 1, if classify a i to a set giving a sigma i = -1, the a i in each set The sum is equal in the two sets. As described above, it has been proved that many problems called NP difficulty or NP complete result in the problem of obtaining the energy minimum value of the Ising model. That is, the Ising model is an arithmetic unit using an actual physical system, that is, It has been pointed out that by implementing it as an Ising machine, it is possible to perform operations at a much higher speed than general-purpose logic operation devices.

その1例は、非特許文献1において与えられている。非特許文献1の例においては、光パラメトリック発振器の2つの位相状態(0およびπ)を2つのイジングスピン状態、σi=+1,−1に対応させ、発振器をN個用意し、それらの間を結合させることにより相互作用Jijを構成する。
また、別の例は非特許文献2で与えられている。この非特許文献2の例においては、2つのイジングスピン状態を、マスターレーザによって励起されたスレーブレーザ発光の2つの円偏光状態に対応させることにより、イジングマシンの実装を提案している。
One example is given in Non-Patent Document 1. In the example of Non-Patent Document 1, two phase states (0 and π) of an optical parametric oscillator correspond to two Ising spin states, σ i = + 1, −1, N oscillators are prepared, To form an interaction J ij .
Another example is given in Non-Patent Document 2. In the example of Non-Patent Document 2, the implementation of an Ising machine is proposed by making two Ising spin states correspond to two circularly polarized states of slave laser emission excited by a master laser.

Z.Wang,A.Marandi,K Wen,R.L.Byer,Y.Yamamaoto,“A Coherent Ising Machine Based on Degenerate Optical Parametric Oscillators”,arXiv:1311.2696v1,2013Z. Wang, A. Marandi, K Wen, R. L. Byer, Y. Yamamaoto, “A Coherent Ising Machine Based on Degenerate Optical Parametric Oscillators”, arXiv: 1311.2696v1, 2013 S.Utsunomiya,K.Takata,Y.Yamamoto,“Mapping of Ising models onto injection-locked laser systems”,Optics Express,Vol.19,pp.18091-18108 ,2011S. Utsunomiya, K. Takata, Y. Yamamoto, “Mapping of Ising models onto injection-locked laser systems”, Optics Express, Vol. 19, pp. 18091-18108, 2011

このように、レーザを含む光学系によりイジングマシンが実装できることが示されているが、非特許文献1、非特許文献2の例ではレーザとN個の自由度に相当する光学系を必要とし、これまでの半導体集積回路を用いた論理演算装置の最大の特徴である小型化、集積化には不向きであるという問題点があった。また、上記の例で明らかなように、異なるイジングスピン間の相互作用の大きさJijは、解くべき問題によって値を調整する必要があるが、個々の結合を調整するには光学系の詳細な調整を必要とし、複数の異なる問題に適応する上での利便性が低いという問題点があった。 Thus, although it has been shown that an Ising machine can be implemented by an optical system including a laser, the examples of Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 require a laser and an optical system corresponding to N degrees of freedom, There has been a problem that it is unsuitable for miniaturization and integration, which are the greatest features of logic operation devices using conventional semiconductor integrated circuits. As is clear from the above example, the magnitude of the interaction J ij between different Ising spins needs to be adjusted depending on the problem to be solved. Adjustment is required, and there is a problem that the convenience in adapting to a plurality of different problems is low.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型化、集積化が容易で、光学系の詳細な調整を必要としない演算装置および演算方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an arithmetic device and an arithmetic method that are easy to downsize and integrate and do not require detailed adjustment of an optical system.

本発明は、基板との間に空間をあけて配置された振動部を備える機械共振器を複数個結合させたイジングマシンを用いて、問題の解を得る演算装置であって、相互に結合された複数の機械共振器と、前記複数の機械共振器の振動部を同時にパラメトリック励振し、その励振振幅と励振位相を各機械共振器について個別に制御可能な励振手段と、前記複数の機械共振器の振動位相を個別に検出する検出手段と、前記複数の機械共振器の振動位相をイジングスピン状態に対応するものとみなし、このイジングスピン状態を表す値を所定の式に代入して問題の解を得る演算処理手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の演算装置の1構成例において、前記演算処理手段は、前記複数の機械共振器の振動位相の組のうち最も頻繁に表れる振動位相の組を前記イジングスピン状態に対応するものとみなし、このイジングスピン状態を表す値を所定の式に代入して問題の解を得ることを特徴とするものである。
The present invention is an arithmetic unit that obtains a solution to a problem by using an Ising machine in which a plurality of mechanical resonators including a vibrating portion disposed with a space between the substrate and a substrate are coupled. A plurality of mechanical resonators, vibration units of the plurality of mechanical resonators simultaneously parametrically excited, excitation means capable of individually controlling the excitation amplitude and excitation phase for each mechanical resonator, and the plurality of mechanical resonators It is assumed that the vibration phase of each of the plurality of mechanical resonators corresponds to the Ising spin state, and a value representing the Ising spin state is substituted into a predetermined equation to solve the problem. Arithmetic processing means for obtaining
Further, in one configuration example of the arithmetic device according to the present invention, the arithmetic processing means corresponds to the Ising spin state corresponding to the most frequently occurring vibration phase set among the vibration phase sets of the plurality of mechanical resonators. It is regarded that a solution to the problem is obtained by substituting a value representing this Ising spin state into a predetermined equation.

また、本発明の演算装置の1構成例は、さらに、前記複数の機械共振器が形成される前記基板との間に空間をあけて配置され、隣接する機械共振器の振動部同士を結合する結合手段を備え、前記機械共振器の機械振動に応じた前記結合手段の変形により、隣接する機械共振器間で機械振動を相互に伝搬させることで、前記複数の機械共振器を結合することを特徴とするものである。
また、本発明の演算装置の1構成例は、前記複数の機械共振器の振動部を構成する材料として圧電材料を用いることを特徴とするものである。
また、本発明の演算装置の1構成例は、さらに、隣接する機械共振器の振動部同士を電気的に結合する結合用配線を備え、前記機械共振器の機械振動に応じた圧電効果によって発生した電圧を、前記結合用配線を介して隣接する機械共振器間で相互に印加することで、前記複数の機械共振器を結合することを特徴とするものである。
また、本発明の演算装置の1構成例において、前記励振手段は、圧電効果による力、光照射による熱応力、静電力、あるいはローレンツ力のいずれかを用いて前記複数の機械共振器の振動部を励振し、前記検出手段は、圧電効果、光照射による熱応力効果、静電効果、磁気的相互作用のいずれかを用いて前記複数の機械共振器の機械振動を電気信号に変換し、前記複数の機械共振器の振動位相を検出することを特徴とするものである。
また、本発明の演算装置の1構成例において、前記問題は、N個(Nは2以上の整数)の整数を、集合内の数の和が互いに等しい2つの集合に分割可能かどうかを判定する分割問題である。
Further, in one configuration example of the arithmetic device according to the present invention, a space is further provided between the substrate on which the plurality of mechanical resonators are formed, and vibration portions of adjacent mechanical resonators are coupled to each other. A plurality of mechanical resonators coupled to each other by causing mechanical vibrations to propagate between adjacent mechanical resonators by coupling means corresponding to mechanical vibrations of the mechanical resonators; It is a feature.
Also, one configuration example of the arithmetic device of the present invention is characterized in that a piezoelectric material is used as a material constituting the vibration part of the plurality of mechanical resonators.
Further, one configuration example of the arithmetic device of the present invention further includes a coupling wiring for electrically coupling the vibration parts of adjacent mechanical resonators, and is generated by a piezoelectric effect corresponding to the mechanical vibration of the mechanical resonators. The plurality of mechanical resonators are coupled by mutually applying the applied voltages to the adjacent mechanical resonators via the coupling wiring.
Further, in one configuration example of the arithmetic device according to the present invention, the excitation means uses any one of a force due to a piezoelectric effect, a thermal stress due to light irradiation, an electrostatic force, or a Lorentz force. The detecting means converts the mechanical vibration of the plurality of mechanical resonators into an electrical signal using any one of a piezoelectric effect, a thermal stress effect by light irradiation, an electrostatic effect, and a magnetic interaction; The present invention is characterized in that vibration phases of a plurality of mechanical resonators are detected.
Further, in one configuration example of the arithmetic device according to the present invention, the problem is whether or not N (N is an integer of 2 or more) integers can be divided into two sets having the same sum of numbers in the set. It is a division problem.

また、本発明は、基板との間に空間をあけて配置された振動部を備える機械共振器を複数個結合させたイジングマシンを用いて、問題の解を得る演算方法であって、前記複数の機械共振器を同時にパラメトリック励振し、その励振振幅と励振位相を各機械共振器について個別に制御する励振ステップと、前記複数の機械共振器の振動位相を個別に検出する検出ステップと、前記複数の機械共振器の振動位相をイジングスピン状態に対応するものとみなし、このイジングスピン状態を表す値を所定の式に代入して問題の解を得る演算処理ステップとを含むことを特徴とするものである。   Further, the present invention is an arithmetic method for obtaining a solution of a problem using an Ising machine in which a plurality of mechanical resonators each having a vibration part disposed with a space between the substrate and a substrate are coupled. A plurality of mechanical resonators are simultaneously parametrically excited, an excitation step for individually controlling an excitation amplitude and an excitation phase for each mechanical resonator, a detection step for individually detecting a vibration phase of the plurality of mechanical resonators, And an arithmetic processing step for obtaining a solution to the problem by substituting a value representing the Ising spin state into a predetermined equation. It is.

本発明によれば、複数の機械共振器を相互に結合し、複数の機械共振器の振動部を同時にパラメトリック励振し、複数の機械共振器の振動位相を個別に検出し、複数の機械共振器の振動位相をイジングスピン状態に対応するものとみなし、このイジングスピン状態を表す値を所定の式に代入することにより、問題の解を得ることができる。その結果、本発明では、小型化、集積化が容易で、光学系の詳細な調整を必要としない演算装置を実現することができる。また、本発明では、励振振幅と励振位相を各機械共振器について個別に制御することにより、問題の設定を行うことができる。   According to the present invention, a plurality of mechanical resonators are coupled to each other, the vibration parts of the plurality of mechanical resonators are simultaneously parametrically excited, and the vibration phases of the plurality of mechanical resonators are individually detected. The problem phase can be obtained by substituting the value representing the Ising spin state into a predetermined equation. As a result, according to the present invention, it is possible to realize an arithmetic device that is easy to downsize and integrate and does not require detailed adjustment of the optical system. In the present invention, the problem can be set by individually controlling the excitation amplitude and the excitation phase for each mechanical resonator.

パラメトリック機械共振器の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a parametric mechanical resonator. 本発明の第1の実施の形態に係る演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arithmetic unit which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arithmetic unit which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arithmetic unit which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

[発明の原理]
本発明では、微細加工技術によって作製したパラメトリック機械共振器における2つの振動状態をイジングスピンに対応させることにより、微細化に優れ、かつスピン間の相互作用を電気的に容易に制御できるイジングマシンを提供する。
パラメトリック機械共振器はすでに多くの実現例があり、実際に微細加工技術を適用した集積化可能な素子が実現されている。その1例は国際公開WO2009/041362に開示されており、化合物半導体ヘテロ構造を用いて作製されている。このパラメトリック機械共振器を図1に示す。
[Principle of the Invention]
In the present invention, an Ising machine that is excellent in miniaturization and can easily control the interaction between spins by making two vibration states in a parametric mechanical resonator manufactured by microfabrication technology correspond to Ising spins. provide.
Parametric mechanical resonators already have many examples of implementation, and an element that can be integrated by actually applying a microfabrication technique has been realized. One example is disclosed in International Publication WO2009 / 041362, which is produced using a compound semiconductor heterostructure. This parametric mechanical resonator is shown in FIG.

図1に示すパラメトリック機械共振器は、面方位が(001)のGaAsからなる基板101の上に、単結晶のAl0.7Ga0.3Asからなる犠牲層121と、単結晶の絶縁性GaAsからなる絶縁層102と、シリコンがドープされた単結晶の導電性GaAsからなる導電層103と、単結晶の絶縁性AlGaAsからなる圧電体層104とからなる積層構造体を形成したものである。 The parametric mechanical resonator shown in FIG. 1 has a sacrificial layer 121 made of single-crystal Al 0.7 Ga 0.3 As and an insulation made of single-crystal insulating GaAs on a substrate 101 made of GaAs having a plane orientation of (001). A laminated structure including a layer 102, a conductive layer 103 made of single-crystal conductive GaAs doped with silicon, and a piezoelectric layer 104 made of single-crystal insulating AlGaAs is formed.

圧電体層104は、例えばAl0.3Ga0.7Asから構成されている。また、本パラメトリック機械共振器では、上述した積層構造体により支持部105と、支持部106と、これら支持部105,106によって両端が支持された梁107とが形成されている。梁107は、その下面が基板101の表面より離間し、梁107と基板101との対向面の間に空間を形成している。このような梁107の構造は、梁107の周囲および直下の犠牲層121を選択的にエッチングすることで形成可能である。 The piezoelectric layer 104 is made of, for example, Al 0.3 Ga 0.7 As. Further, in the present parametric mechanical resonator, the support portion 105, the support portion 106, and the beam 107 supported at both ends by the support portions 105 and 106 are formed by the above-described laminated structure. The lower surface of the beam 107 is separated from the surface of the substrate 101, and a space is formed between the opposed surfaces of the beam 107 and the substrate 101. Such a structure of the beam 107 can be formed by selectively etching the sacrificial layer 121 around and directly below the beam 107.

また、一方の支持部105の上には、励振電極108が形成され、他方の支持部106の上には、振動検出電極110が形成されている。これら電極108,110は、半導体からなる圧電体層104に対してショットキー接合を形成する金属材料から構成され、例えば、Ti層とこの上に形成されたAu層との積層構造体から構成される。   An excitation electrode 108 is formed on one support portion 105, and a vibration detection electrode 110 is formed on the other support portion 106. The electrodes 108 and 110 are made of a metal material that forms a Schottky junction with the piezoelectric layer 104 made of a semiconductor. For example, the electrodes 108 and 110 are made of a laminated structure of a Ti layer and an Au layer formed thereon. The

また、支持部105の一部の圧電体層104を除去することで露出された導電層103の上には、共通電極109が形成されている。共通電極109は、導電層103にオーミック接続する金属材料から構成され、例えば、AuGeNi合金から構成されている。また、励振電極108には、パラメトリック励振のためなどの交流信号が供給される配線111が接続され、共通電極109には、接地配線112が接続され、振動検出電極110には、梁107の振動により発生する信号が出力される振動検出配線113が接続されている。この論理素子では、導電層103が、圧電体層104を挟んで励振電極108および検出電極110に対向する共通の電極として機能する。   A common electrode 109 is formed on the conductive layer 103 exposed by removing a part of the piezoelectric layer 104 of the support portion 105. The common electrode 109 is made of a metal material that is ohmically connected to the conductive layer 103, and is made of, for example, an AuGeNi alloy. The excitation electrode 108 is connected to a wiring 111 to which an AC signal for parametric excitation or the like is supplied, the common electrode 109 is connected to a ground wiring 112, and the vibration detection electrode 110 is a vibration of the beam 107. The vibration detection wiring 113 to which a signal generated by the above is output is connected. In this logic element, the conductive layer 103 functions as a common electrode facing the excitation electrode 108 and the detection electrode 110 with the piezoelectric layer 104 interposed therebetween.

ここで、弾性体である梁107の持つ共振角周波数をω0とする。ここで、接地配線112が接地に接続された状態とし、励振電極108にパラメトリック励振配線111を通じて電圧を印加すると、圧電体層104が持つ圧電効果により、梁107は、印加された電圧に比例した延在方向の歪みを受ける。この歪みは、梁107の共振周波数を変化させる。したがって、励振電極108に角周波数2ω0の交流電圧を印加すると、梁107は角周波数2ω0で周期的に歪みを受け、梁107の共振周波数は角周波数2ω0で変調され、梁107は角周波数ω0でパラメトリックに励振される。
このパラメトリック機械共振器の運動は、以下のハミルトニアンHで記述される。
Here, the resonance angular frequency of the elastic beam 107 is ω 0 . Here, when the ground wiring 112 is connected to the ground and a voltage is applied to the excitation electrode 108 through the parametric excitation wiring 111, the beam 107 is proportional to the applied voltage due to the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 104. Subjected to strain in the extending direction. This distortion changes the resonance frequency of the beam 107. Thus, when applying an AC voltage of an angular frequency 2 [omega 0 to the excitation electrode 108, the beam 107 is periodically subject to a distortion at the angular frequency 2 [omega 0, the resonance frequency of the beam 107 is modulated at the angular frequency 2 [omega 0, the beam 107 is the angular Parametrically excited at a frequency ω 0 .
The motion of this parametric mechanical resonator is described by the following Hamiltonian H:

Figure 2015207032
Figure 2015207032

ここで、qはパラメトリック機械共振器の変位、pは変位qに正準共役な運動量、Γはパラメトリック励振の強度、βはパラメトリック機械共振器の持つ非線形性の強さである。時間に依存する正準変換の生成子Fを次式のように定義する。   Here, q is the displacement of the parametric mechanical resonator, p is the momentum conjugate to the displacement q, Γ is the strength of the parametric excitation, and β is the strength of the non-linearity of the parametric mechanical resonator. A time-dependent canonical transformation generator F is defined as follows.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

この正準変換の生成子Fを用いることにより、変数Q,Pは次式のように定義される。   By using the canonical transformation generator F, the variables Q and P are defined as follows.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

すなわち、式(7)、式(8)のように定義されるq,pと、生成子Fによって式(9)のように導出される有効ハミルトニアンH’を用いることにより、回転座標近似を用いて系を記述することができる。   That is, by using q and p defined as in the equations (7) and (8) and the effective Hamiltonian H ′ derived as in the equation (9) by the generator F, the rotational coordinate approximation is used. System can be described.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

Figure 2015207032
Figure 2015207032

このハミルトニアンH’は2つの極小値を持ち、これらの極小値は定常振動に対応する。この振動状態を与える変数P,Qならびに有効ハミルトニアンH’は、次式で与えられる。   This Hamiltonian H 'has two local minima, which correspond to steady vibrations. The variables P and Q giving this vibration state and the effective Hamiltonian H 'are given by the following equations.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

次に、これらのパラメトリック機械共振器を線形結合させる。系のハミルトニアンは、次式で与えられる。   These parametric mechanical resonators are then linearly coupled. The Hamiltonian of the system is given by

Figure 2015207032
Figure 2015207032

ここで、Hint i,jがi番目とj番目の2つのパラメトリック機械共振器の線形結合を与え、cijはその線形結合の強さを表している。単一共振器の場合と同様に、2つのパラメトリック機械共振器の線形結合した場合の回転座標系における有効ハミルトニアンH’を求めると、次式のようになる。 Here, H int i, j gives the linear coupling of the i-th and j-th two parametric mechanical resonators, and c ij represents the strength of the linear coupling. As in the case of the single resonator, when the effective Hamiltonian H ′ in the rotating coordinate system when two parametric mechanical resonators are linearly coupled is obtained, the following equation is obtained.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

すなわち、単一共振器の場合の有効ハミルトニアンH’0iに加え、2つのパラメトリック機械共振器の相互作用に起因する有効ハミルトニアンHint i,jが加わる。今、Hint i,jの寄与がH’0iに比較して十分小さいとすると、有効ハミルトニアンH’の極小値は、有効ハミルトニアンH’0iが極小をとるという条件の式(10)がすべてのパラメトリック機械共振器に対して成り立つという条件により近似的に求めることができる。すなわち、有効ハミルトニアンH’の極小値を与えるパラメトリック機械共振器の運動は次式で与えられる。 That is, in addition to the effective Hamiltonian H ′ 0i in the case of a single resonator, an effective Hamiltonian H int i, j resulting from the interaction of two parametric mechanical resonators is added. Now, assuming that the contribution of H int i, j is sufficiently small compared to H ′ 0i , the minimum value of the effective Hamiltonian H ′ is all the formulas (10) under the condition that the effective Hamiltonian H ′ 0i is minimum. It can be obtained approximately by the condition that it holds for a parametric mechanical resonator. That is, the motion of the parametric mechanical resonator that gives the minimum value of the effective Hamiltonian H ′ is given by:

Figure 2015207032
Figure 2015207032

式(17)の結果より、{σi}={σ1,σ2,・・・,σN}の振動状態に対する有効エネルギーは、次式で与えられる。 From the result of the equation (17), the effective energy for the vibration state of {σ i } = {σ 1 , σ 2 ,..., Σ N } is given by the following equation.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

式(18)に示すエネルギーは、イジングモデルのエネルギー(式(1))の第2項と定数を除いて一致しており、結合係数Jijは次式で与えられる。 The energy shown in Expression (18) is the same as that of the Ising model energy (Expression (1)) except for a constant, and the coupling coefficient J ij is given by the following expression.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

これより、2つ以上のパラメトリック機械共振器を線形結合することにより、イジングマシンが構成できるのみならず、それぞれのパラメトリック機械共振器の励振位相Δiならびにパラメトリック励振の強度Γiを制御することにより、イジングスピン間の結合の大きさも変えることができることが分かる。 From this, it is possible not only to construct an Ising machine by linearly coupling two or more parametric mechanical resonators, but also by controlling the excitation phase Δ i of each parametric mechanical resonator and the intensity Γ i of the parametric excitation. It can be seen that the magnitude of coupling between Ising spins can also be changed.

なお、ここでは簡単のためにイジングモデル(式(1))の第2項のみの実装について述べたが、文献「I.Mahboob,C.Froitier,H.Yamaguchi,“A symmetry-breaking electromechanical detector”,Applied Physics Letters,96,213103,2010」に示されているように、角周波数ω0の電圧も同時に印可することにより、2つの位相状態にエネルギー差を与え、イジングモデル(式(1))の第1項を構成することも可能である。このように、N個(Nは2以上の整数)のパラメトリック機械共振器を線形結合することにより、集積化可能かつイジングスピン間の結合の大きさを外部制御できるイジングマシンを構築することができる。 For the sake of simplicity, the implementation of only the second term of the Ising model (Equation (1)) has been described here, but the document “I. Mahboob, C. Froitier, H. Yamaguchi,“ A symmetry-breaking electromechanical detector ” , Applied Physics Letters, 96, 213103, 2010 ”, an energy difference is given to two phase states by simultaneously applying a voltage having an angular frequency ω 0 , and an Ising model (Formula (1)) It is also possible to construct the first term. Thus, by linearly coupling N (N is an integer of 2 or more) parametric mechanical resonators, an Ising machine that can be integrated and can externally control the magnitude of coupling between Ising spins can be constructed. .

[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ここでは、最も簡単な例として、3つのパラメトリック機械共振器を用いて3個の整数ai={1,2,3}に対する分割問題を解いた結果を示す。この問題の答えは{1,2}と{3}に分割することである。すなわち{σ1,σ2,σ3}={+1,+1,−1}あるいは{−1,−1,+1}がゼロエネルギーを与える。対応するイジングハミルトニアンHは次式で与えられる。
H=(σ1+2σ2+3σ32=14+2(2σ1σ2+6σ2σ3+3σ3σ1
・・・(20)
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, as a simplest example, a result of solving a division problem for three integers a i = {1, 2, 3} using three parametric mechanical resonators is shown. The answer to this problem is to split it into {1,2} and {3}. That is, {σ 1 , σ 2 , σ 3 } = {+ 1, + 1, −1} or {−1, −1, + 1} gives zero energy. The corresponding Ising Hamiltonian H is given by:
H = (σ 1 + 2σ 2 + 3σ 3 ) 2 = 14 + 2 (2σ 1 σ 2 + 6σ 2 σ 3 + 3σ 3 σ 1 )
... (20)

{σ1,σ2,σ3}={+1,+1,−1}あるいは{−1,−1,+1}の時にH=0となるのは明らかである。3つのパラメトリック機械共振器のうちi番目とj番目の2つのパラメトリック機械共振器の線形結合の強さcij(i,jは1〜3のいずれかで、i≠j)がすべて等しいとした場合、式(19)より、次式が成立する。
Γ1cos(Δ2−Δ1):Γ2cos(Δ3−Δ2):Γ3cos(Δ1−Δ3
=2:6:3 ・・・(21)
It is clear that H = 0 when {σ 1 , σ 2 , σ 3 } = {+ 1, + 1, −1} or {−1, −1, + 1}. Of the three parametric mechanical resonators, the i-th and j-th two parametric mechanical resonators have linear coupling strengths c ij (i and j are any one of 1 to 3 and i ≠ j) are all equal. In this case, the following equation is established from the equation (19).
Γ 1 cos (Δ 2 −Δ 1 ): Γ 2 cos (Δ 3 −Δ 2 ): Γ 3 cos (Δ 1 −Δ 3 )
= 2: 6: 3 (21)

したがって、最も単純には次式のようにすれば、本実施の形態の分割問題に対応するイジングハミルトニアン(式(20))を定数を除いて実現できる。
Δ1=Δ2=Δ3,Γ1:Γ2:Γ3=2:6:3 ・・・(22)
Therefore, in the simplest case, the Ising Hamiltonian (Expression (20)) corresponding to the division problem of the present embodiment can be realized by removing the constants as follows.
Δ 1 = Δ 2 = Δ 3 , Γ 1 : Γ 2 : Γ 3 = 2: 6: 3 (22)

すなわち、3つのパラメトリック機械共振器の励振位相を同一とし、3つのパラメトリック機械共振器の励振強度を2:6:3に選んで励振した際、最も頻繁に表れる位相の組(σ1,σ2,σ3)を式(20)に代入し、その時のイジングハミルトニアンHの値が0かどうかを調べれば、分割可能かどうかが判定できる。 That is, when the excitation phases of the three parametric mechanical resonators are the same, and the excitation intensity of the three parametric mechanical resonators is selected to be 2: 6: 3, excitation is performed with a pair of phases (σ 1 , σ 2 most frequently appearing). , Σ 3 ) is substituted into equation (20), and whether or not the value of the Ising Hamiltonian H at that time is 0 is determined to determine whether or not division is possible.

図2は本実施の形態の演算装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の演算装置は、N個(Nは2以上の整数で、本実施の形態ではN=3)のパラメトリック機械共振器1−1〜1−3と、パラメトリック機械共振器1−1〜1−3に励振用の交流電圧を印加する発振器2−1〜2−3(励振手段)と、パラメトリック機械共振器1−1〜1−3の振動振幅と振動位相を検出するロックインアンプ3−1〜3−3(検出手段)と、パラメトリック機械共振器1−1〜1−3の振動位相をイジングスピン状態に対応するものとみなし、このイジングスピン状態を表す値を所定の式に代入して問題の解を得る演算処理部4と、パラメトリック機械共振器1−1,1−2の振動部同士を電気的に結合する結合用配線5−12と、パラメトリック機械共振器1−2,1−3の振動部同士を電気的に結合する結合用配線5−23と、パラメトリック機械共振器1−1,1−3の振動部同士を電気的に結合する結合用配線5−13とから構成される。   FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the arithmetic device according to the present embodiment. The arithmetic device of the present embodiment includes N parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 (N is an integer equal to or larger than 2 and N = 3 in the present embodiment), and parametric mechanical resonator 1-1. Oscillators 2-1 to 2-3 (excitation means) for applying an alternating voltage for excitation to 1-3, and lock-in amplifiers for detecting the vibration amplitude and vibration phase of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 The vibration phases of 3-1 to 3-3 (detection means) and the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 are regarded as corresponding to the Ising spin state. The arithmetic processing unit 4 that obtains a solution by substituting, the coupling wiring 5-12 that electrically couples the vibrating parts of the parametric mechanical resonators 1-1 and 1-2, and the parametric mechanical resonator 1-2 , 1-3 to electrically couple the vibrating parts And if wiring 5-23, and a bond wire 5-13 Metropolitan electrically coupling the vibrating portions of the parametric mechanical resonator 1-1 and 1-3.

図2の例は、図1と同様のパラメトリック機械共振器1−1〜1−3を3つ結合したものであり、パラメトリック機械共振器1−1〜1−3は、図1と同様に作製したGaAs/AlGaAsパラメトリック機械共振器である。パラメトリック機械共振器1−1〜1−3は、それぞれ図1の梁107と同様の梁10−1〜10−3(振動部)と、電極11−1〜11−3と、電極12−1〜12−3と、電極13−1〜13−3とを備えている。電極11−1〜11−3,12−1〜12−3,13−1〜13−3は、パラメトリック励振用の交流電圧Vicos(2ω0t+2Δi)(i=1〜3)の印加、振動検出、共振器間の結合を行うためのショットキー電極であり、図1の電極108,110に相当するものである。なお、図2では、簡略化のために共通電極109に相当する電極、および支持部を省略して記載してある。 The example of FIG. 2 is a combination of three parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 similar to those in FIG. 1, and the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 are manufactured in the same manner as in FIG. GaAs / AlGaAs parametric mechanical resonator. Parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 include beams 10-1 to 10-3 (vibrating portions) similar to the beam 107 in FIG. 1, electrodes 11-1 to 11-3, and electrodes 12-1, respectively. To 12-3 and electrodes 13-1 to 13-3. The electrodes 11-1 to 11-3, 12-1 to 12-3, 13-1 to 13-3 are applied with an AC voltage V i cos (2ω 0 t + 2Δ i ) (i = 1 to 3) for parametric excitation. 1 is a Schottky electrode for detecting vibration and coupling between resonators, and corresponds to the electrodes 108 and 110 in FIG. In FIG. 2, for simplicity, the electrode corresponding to the common electrode 109 and the support portion are omitted.

発振器2−1〜2−3は、それぞれ交流電圧Vicos(2ω0t+2Δi)(i=1〜3)を生成し、電極11−1〜11−3に印加する。これらの交流電圧の振幅Viならびに位相Δiは、発振器ごとに個別に調整することが可能である。同時に、各発振器2−1〜2−3は、それぞれ角周波数がω0の交流電圧を基準信号としてロックインアンプ3−1〜3−3に入力する。また、各電極11−1〜11−3は、ロックインアンプ3−1〜3−3の入力とも接続されている。 The oscillators 2-1 to 2-3 generate AC voltages V i cos (2ω 0 t + 2Δ i ) (i = 1 to 3), respectively, and apply them to the electrodes 11-1 to 11-3. The amplitude V i and phase Δ i of these AC voltages can be individually adjusted for each oscillator. At the same time, each of the oscillators 2-1 to 2-3 inputs an AC voltage having an angular frequency of ω 0 as a reference signal to the lock-in amplifiers 3-1 to 3-3. The electrodes 11-1 to 11-3 are also connected to the inputs of the lock-in amplifiers 3-1 to 3-3.

図1で説明したとおり、電極11−1〜11−3に角周波数2ω0の交流電圧を印加すると、振動部となる梁10−1〜10−3の共振周波数は角周波数2ω0で変調され、梁10−1〜10−3は角周波数ω0でパラメトリックに励振される。この角周波数ω0の振動は、圧電効果によって電圧信号の形で電極11−1〜11−3に出力される。ロックインアンプ3−1〜3−3は、発振器2−1〜2−3からの基準信号を基に、電極11−1〜11−3から出力される角周波数ω0の電圧信号の振幅と位相を検出する。こうして、電極11−1〜11−3から出力される電圧信号の振幅と位相を検出することで、パラメトリック機械共振器1−1〜1−3のパラメトリック励振により引き起こされた角周波数ω0の機械振動の振幅と位相を検出することができる。 As described with reference to FIG. 1, when an AC voltage having an angular frequency of 2ω 0 is applied to the electrodes 11-1 to 11-3, the resonance frequency of the beams 10-1 to 10-3 serving as the vibration part is modulated at the angular frequency of 2ω 0. The beams 10-1 to 10-3 are excited parametrically at an angular frequency ω 0 . The vibration of the angular frequency ω 0 is output to the electrodes 11-1 to 11-3 in the form of a voltage signal due to the piezoelectric effect. The lock-in amplifiers 3-1 to 3-3 are based on the reference signals from the oscillators 2-1 to 2-3, and the amplitude of the voltage signal having the angular frequency ω 0 output from the electrodes 11-1 to 11-3. Detect the phase. Thus, by detecting the amplitude and phase of the voltage signals output from the electrodes 11-1 to 11-3, the machine having the angular frequency ω 0 caused by the parametric excitation of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 is detected. The amplitude and phase of vibration can be detected.

結合用配線5−12,5−23,5−13は、Auのショットキーゲートにより形成され、隣接する2つのパラメトリック機械共振器の結合を電気的に行うものである。結合用配線5−12は、パラメトリック機械共振器1−1の電極12−1とパラメトリック機械共振器1−2の電極12−2とに接続され、結合用配線5−23は、パラメトリック機械共振器1−2の電極13−2とパラメトリック機械共振器1−3の電極13−3とに接続され、結合用配線5−13は、パラメトリック機械共振器1−1の電極13−1とパラメトリック機械共振器1−3の電極12−3とに接続されている。   The coupling wires 5-12, 5-23, and 5-13 are formed by Au Schottky gates, and electrically couple two adjacent parametric mechanical resonators. The coupling wiring 5-12 is connected to the electrode 12-1 of the parametric mechanical resonator 1-1 and the electrode 12-2 of the parametric mechanical resonator 1-2, and the coupling wiring 5-23 is connected to the parametric mechanical resonator. The electrode 13-2 of the 1-2 and the electrode 13-3 of the parametric mechanical resonator 1-3 are connected, and the coupling wiring 5-13 is connected to the electrode 13-1 of the parametric mechanical resonator 1-1 and the parametric mechanical resonance. It is connected to the electrode 12-3 of the device 1-3.

3つのパラメトリック機械共振器1−1〜1−3に対する3つの組み合わせのそれぞれに対して配線5−12,5−23,5−13を形成し、1つのパラメトリック機械共振器の変位により圧電的に発生した電圧を隣のパラメトリック機械共振器に伝搬させ、このパラメトリック機械共振器に圧電効果によって外力を与える。配線5−12,5−23,5−13の抵抗が十分小さければ力は共振器の変異が生じると同時に変位に比例して発生するため、式(13)にある線形結合Hint i,jを実現することができる。 Wirings 5-12, 5-23, and 5-13 are formed for each of the three combinations of the three parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3, and piezoelectrically by the displacement of the one parametric mechanical resonator. The generated voltage is propagated to the adjacent parametric mechanical resonator, and an external force is applied to the parametric mechanical resonator by the piezoelectric effect. If the resistances of the wirings 5-12, 5-23, and 5-13 are sufficiently small, the force is generated in proportion to the displacement at the same time as the variation of the resonator occurs. Therefore, the linear coupling H int i, j Can be realized.

今、パラメトリック機械共振器1−1,1−2の結合の強さとパラメトリック機械共振器1−2,1−3の結合の強さとパラメトリック機械共振器1−1,1−3の結合の強さがすべて等しいと仮定すると、c12=c23=c31であるから、電極11−1〜11−3に印加するパラメトリック励振用の交流電圧の振幅Viを式(15)に従い、V1:V2:V3=2:6:3と設定すれば、式(21)に対応する結合を実現することができる。このとき、パラメトリック励振用の交流電圧の位相Δ1〜Δ3はいずれも等しくする必要があることは言うまでもない。 Now, the coupling strength between the parametric mechanical resonators 1-1 and 1-2, the coupling strength between the parametric mechanical resonators 1-2 and 1-3, and the coupling strength between the parametric mechanical resonators 1-1 and 1-3. Assuming that all are equal, c 12 = c 23 = c 31 , and therefore, the amplitude V i of the AC voltage for parametric excitation applied to the electrodes 11-1 to 11-3 is set to V 1 according to the equation (15): If V 2 : V 3 = 2: 6: 3 is set, the coupling corresponding to the equation (21) can be realized. At this time, it is needless to say that the phases Δ 1 to Δ 3 of the AC voltage for parametric excitation must all be equal.

Figure 2015207032
Figure 2015207032

表1は、このような電圧振幅比と位相の交流電圧を用いて多数回のパラメトリック励振を行った際、それぞれのパラメトリック機械共振器1−1〜1−3の振動の位相(φ1,φ2,φ3)が0あるいはπのどちらであるかをロックインアンプ3−1〜3−3で検出し、その統計を取ったものである。 Table 1 shows the vibration phases (φ 1 , φ) of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 when the parametric excitation is performed many times using the AC voltage having such a voltage amplitude ratio and phase. 2 , φ 3 ) is 0 or π, detected by the lock-in amplifiers 3-1 to 3-3, and the statistics are obtained.

表1の結果からわかるように、パラメトリック機械共振器1−1〜1−3の振動位相(φ1,φ2,φ3)が(0,0,π)あるいは(π,π,0)の場合が最も発振しやすいことが分かる。位相0はイジングスピン状態σi=+1に対応し、位相πはイジングスピン状態σi=−1に対応する。したがって、パラメトリック機械共振器1−1〜1−3の振動位相(φ1,φ2,φ3)が(0,0,π)あるいは(π,π,0)の状態は、{σ1,σ2,σ3}={+1,+1,−1}あるいは{−1,−1,+1}のスピン状態に対応する。 As can be seen from the results of Table 1, the vibration phases (φ 1 , φ 2 , φ 3 ) of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 are (0, 0, π) or (π, π, 0). It can be seen that the case is most likely to oscillate. Phase 0 corresponds to the Ising spin state σ i = + 1, and phase π corresponds to the Ising spin state σ i = −1. Therefore, the state where the vibration phases (φ 1 , φ 2 , φ 3 ) of the parametric mechanical resonators 1-1 to 1-3 are (0, 0, π) or (π, π, 0) is {σ 1 , This corresponds to a spin state of σ 2 , σ 3 } = {+ 1, + 1, −1} or {−1, −1, + 1}.

演算処理部4は、ロックインアンプ3−1〜3−3による検出結果から、最も頻繁に表れる振動位相の組(0,0,π)あるいは(π,π,0)を認識し、振動位相の組(0,0,π)を{σ1,σ2,σ3}={+1,+1,−1}のスピン状態、振動位相の組(π,π,0)を{σ1,σ2,σ3}={−1,−1,+1}のスピン状態とみなし、{σ1,σ2,σ3}={+1,+1,−1}あるいは{σ1,σ2,σ3}={−1,−1,+1}を式(20)に代入し、その時のイジングハミルトニアンHの値が0かどうかを調べる。 The arithmetic processing unit 4 recognizes the vibration phase pair (0, 0, π) or (π, π, 0) that appears most frequently from the detection results of the lock-in amplifiers 3-1 to 3-3, and the vibration phase. Set (0, 0, π) to {σ 1 , σ 2 , σ 3 } = {+ 1, +1, -1} spin state, and set the vibration phase (π, π, 0) to {σ 1 , σ 2 , σ 3 } = {− 1, −1, +1}, and {σ 1 , σ 2 , σ 3 } = {+ 1, +1, −1} or {σ 1 , σ 2 , σ 3 } = {− 1, −1, + 1} is substituted into the equation (20), and it is checked whether or not the value of the Ising Hamiltonian H at that time is 0.

演算処理部4は、イジングハミルトニアンHの値が0の場合は、3個の整数ai={1,2,3}を、集合内の数の和が互いに等しい2つの集合に分割可能と判定し、イジングハミルトニアンHの値が0でない場合は、分割不可能と判定する。この例では、H=0となることにより、分割可能と判定される。こうして、ai={1,2,3}に対する分割問題の解を得ることができる。 When the value of the Ising Hamiltonian H is 0, the arithmetic processing unit 4 determines that the three integers a i = {1, 2, 3} can be divided into two sets having the same sum of numbers in the set. If the value of the Ising Hamiltonian H is not 0, it is determined that the division is impossible. In this example, it is determined that division is possible when H = 0. In this way, the solution of the division problem for a i = {1, 2, 3} can be obtained.

このような演算処理部4は、CPU(Central Processing Unit)、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。CPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って演算処理を実行する。   Such an arithmetic processing unit 4 can be realized by a computer having a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface, and a program for controlling these hardware resources. The CPU executes arithmetic processing according to a program stored in the storage device.

以上のようにして、本実施の形態では、小型化、集積化が容易で、光学系の詳細な調整を必要としない演算装置を実現することができる。また、本実施の形態では、励振振幅と励振位相を各パラメトリック機械共振器について個別に制御することにより、問題の設定を行うことができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize an arithmetic device that is easy to downsize and integrate and does not require detailed adjustment of the optical system. In this embodiment, the problem can be set by individually controlling the excitation amplitude and the excitation phase for each parametric mechanical resonator.

[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図3は本実施の形態の演算装置の構成を示すブロック図であり、図2と同様の構成には同一の符号を付してある。第1の実施の形態では、機械的に独立した3つのパラメトリック機械共振器を電気的に結合したが、本実施の形態は、3つのパラメトリック機械共振器1a−1〜1a−3を機械的に結合したものである。簡略化のため、図2における発振器2−1〜2−3とロックインアンプ3−1〜3−3と演算処理部4は省略して記載してある。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the arithmetic unit according to the present embodiment, and the same components as those in FIG. In the first embodiment, three mechanically independent parametric mechanical resonators are electrically coupled. However, in the present embodiment, the three parametric mechanical resonators 1a-1 to 1a-3 are mechanically connected. It is a combination. For simplicity, the oscillators 2-1 to 2-3, the lock-in amplifiers 3-1 to 3-3, and the arithmetic processing unit 4 in FIG. 2 are omitted.

パラメトリック機械共振器1a−1〜1a−3は、それぞれ梁10−1〜10−3と、ショットキー電極11−1〜11−3と、支持部14−1〜14−3,15−1〜15−3とを備えている。図3においても、図1の共通電極109に相当する電極を省略して記載してある。図3の7の領域は、犠牲層(図1の121)の深さまでヘテロ構造(図1の102〜104,121)をメサエッチングにより除去して、基板(図1の101)を露出させた領域である。   Parametric mechanical resonators 1a-1 to 1a-3 include beams 10-1 to 10-3, Schottky electrodes 11-1 to 11-3, and support portions 14-1 to 14-3, 15-1 to 15-1, respectively. 15-3. Also in FIG. 3, an electrode corresponding to the common electrode 109 in FIG. 1 is omitted. In the region 7 in FIG. 3, the heterostructure (102 to 104, 121 in FIG. 1) is removed by mesa etching to the depth of the sacrificial layer (121 in FIG. 1) to expose the substrate (101 in FIG. 1). It is an area.

一方、絶縁層(図1の102)と導電層(図1の103)と圧電体層(図1の104)とから構成される梁10−1〜10−3は、犠牲層のエッチングにより直下の犠牲層が完全に除去されており、基板との間に空間をあけて配置されることで、電極11−1〜11−3から印加される交流電圧に応じた機械振動が可能なようになっている。梁10−1〜10−3の両端は、犠牲層と絶縁層と導電層と圧電体層とから構成される支持部14−1〜14−3,15−1〜15−3(図1の105,106)によって支持される。   On the other hand, the beams 10-1 to 10-3 composed of the insulating layer (102 in FIG. 1), the conductive layer (103 in FIG. 1), and the piezoelectric layer (104 in FIG. 1) are directly below the sacrificial layer by etching. The sacrificial layer is completely removed, and a mechanical vibration corresponding to the AC voltage applied from the electrodes 11-1 to 11-3 is possible by arranging a space between the sacrificial layer and the substrate. It has become. Both ends of the beams 10-1 to 10-3 are supported by support portions 14-1 to 14-3, 15-1 to 15-3 (see FIG. 1) composed of a sacrifice layer, an insulating layer, a conductive layer, and a piezoelectric layer. 105, 106).

結合部6−12,6−23,6−13は、絶縁層(図1の102)と導電層(図1の103)と圧電体層(図1の104)とから構成される。結合部6−12は、パラメトリック機械共振器1a−1の梁10−1の一端とパラメトリック機械共振器1a−2の梁10−2の一端とを機械的に結合し、結合部6−23は、パラメトリック機械共振器1a−2の梁10−2の他端とパラメトリック機械共振器1a−3の梁10−3の一端とを機械的に結合し、結合部6−13は、パラメトリック機械共振器1a−1の梁10−1の他端とパラメトリック機械共振器1a−3の梁10−3の他端とを機械的に結合する。   The coupling portions 6-12, 6-23, and 6-13 include an insulating layer (102 in FIG. 1), a conductive layer (103 in FIG. 1), and a piezoelectric layer (104 in FIG. 1). The coupling unit 6-12 mechanically couples one end of the beam 10-1 of the parametric mechanical resonator 1a-1 and one end of the beam 10-2 of the parametric mechanical resonator 1a-2, and the coupling unit 6-23 The other end of the beam 10-2 of the parametric mechanical resonator 1a-2 and the one end of the beam 10-3 of the parametric mechanical resonator 1a-3 are mechanically coupled, and the coupling portion 6-13 includes a parametric mechanical resonator. The other end of the beam 10-1 of 1a-1 and the other end of the beam 10-3 of the parametric mechanical resonator 1a-3 are mechanically coupled.

結合部6−12,6−23,6−13は、犠牲層の選択サイドエッチングにより直下の犠牲層の一部が除去されており、基板との間に空間をあけて配置され、犠牲層から庇状に張り出すように形成されている。このような構造により、結合部6−12,6−23,6−13は、1つのパラメトリック機械共振器で生じた機械振動を他のパラメトリック機械共振器に伝搬させることができる。   The coupling portions 6-12, 6-23, and 6-13 are partially removed from the sacrificial layer by selective side etching of the sacrificial layer, and are disposed with a space between the substrate and the sacrificial layer. It is formed so as to project like a bowl. With such a structure, the coupling portions 6-12, 6-23, and 6-13 can propagate the mechanical vibration generated in one parametric mechanical resonator to another parametric mechanical resonator.

例えば、パラメトリック機械共振器1a−1の梁10−1が変位すると、結合部6−12も同様に変位し、この変位によってパラメトリック機械共振器1a−2の梁10−2に同じ方向の力が作用するようになっている。この力はパラメトリック機械共振器1a−1とパラメトリック機械共振器1a−2の変位差に比例するため、式(11)〜(13)における線形結合Hint 1,2を実現することができる。同様に、パラメトリック機械共振器1a−1とパラメトリック機械共振器1a−3との間、パラメトリック機械共振器1a−2とパラメトリック機械共振器1a−3との間の線形結合も形成され、結果として式(11)〜(13)におけるすべての相互作用が実現できる。 For example, when the beam 10-1 of the parametric mechanical resonator 1a-1 is displaced, the coupling portion 6-12 is similarly displaced, and this displacement causes a force in the same direction to the beam 10-2 of the parametric mechanical resonator 1a-2. It comes to work. Since this force is proportional to the displacement difference between the parametric mechanical resonator 1a-1 and the parametric mechanical resonator 1a-2, the linear combination H int 1,2 in the equations (11) to (13) can be realized. Similarly, linear couplings are also formed between the parametric mechanical resonator 1a-1 and the parametric mechanical resonator 1a-3, and between the parametric mechanical resonator 1a-2 and the parametric mechanical resonator 1a-3. All the interactions in (11) to (13) can be realized.

したがって、第1の実施の形態と同様に、電極11−1〜11−3にV1:V2:V3=2:6:3の振幅比で角周波数2ω0の交流電圧を印加すれば、式(20)に対応するイジングマシンが実現できる。
発振器2−1〜2−3、ロックインアンプ3−1〜3−3および演算処理部4の動作は第1の実施の形態で説明したとおりである。
Therefore, as in the first embodiment, if an AC voltage having an angular frequency of 2ω 0 with an amplitude ratio of V 1 : V 2 : V 3 = 2: 6: 3 is applied to the electrodes 11-1 to 11-3. , An Ising machine corresponding to equation (20) can be realized.
The operations of the oscillators 2-1 to 2-3, the lock-in amplifiers 3-1 to 3-3, and the arithmetic processing unit 4 are as described in the first embodiment.

[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図4は本実施の形態の演算装置の構成を示すブロック図であり、図2と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、パラメトリック機械共振器としてメンブレン型のパラメトリック機械共振器1b−1〜1b−4を用いて、4つの要素からなるイジングマシンを実施した例を示すものである。図4では、簡略化のため、発振器とロックインアンプと演算処理部は省略して記載してある。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the arithmetic unit according to the present embodiment. The same components as those in FIG. The present embodiment shows an example in which an Ising machine including four elements is implemented using membrane-type parametric mechanical resonators 1b-1 to 1b-4 as parametric mechanical resonators. In FIG. 4, the oscillator, the lock-in amplifier, and the arithmetic processing unit are omitted for simplification.

パラメトリック機械共振器1b−1〜1b−4は、それぞれ振動部16−1〜16−4と、ショットキー電極11−1〜11−4,12−1〜12−4,13−1〜13−4,17−1〜17−4とを備えている。このようなメンブレン型のパラメトリック機械共振器1b−1〜1b−4の作製法は、例えば特開2010−232983号公報に開示されているとおりであり、犠牲層を有する薄膜に貫通孔を形成し、そこから等方的に犠牲層エッチングを行うことで作製できる。   The parametric mechanical resonators 1b-1 to 1b-4 include the vibration units 16-1 to 16-4, the Schottky electrodes 11-1 to 11-4, 12-1 to 12-4, and 13-1 to 13-, respectively. 4, 17-1 to 17-4. The manufacturing method of such membrane-type parametric mechanical resonators 1b-1 to 1b-4 is as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-232983, and a through-hole is formed in a thin film having a sacrificial layer. From there, it can be fabricated by performing isotropic sacrificial layer etching.

振動部16−1〜16−4は、犠牲層の選択エッチングにより直下の犠牲層の少なくとも一部が除去されており、基板との間に空間をあけて配置されるようになっている。このようなメンブレン型の振動部16−1〜16−4については、文献「D.Hatanaka,I.Mahboob,H.Okamoto,K.Onomitsu,H.Yamaguchi,“An electromechanical membrane resonator”,Applied Physics Letters,101,063102,2012」に記載があるように、両持ち梁構造の梁10−1〜10−3,107と同様に電気的な駆動ならびに振動検出が可能である。   The vibrating parts 16-1 to 16-4 are arranged such that at least a part of the sacrificial layer immediately below is removed by selective etching of the sacrificial layer, and a space is provided between the vibrating parts 16-1 to 16-4. Such membrane-type vibrating parts 16-1 to 16-4 are described in documents “D. Hatanaka, I. Mahboob, H. Okamoto, K. Onomitsu, H. Yamaguchi,“ An electromechanical membrane resonator ”, Applied Physics Letters. , 101, 063102, 2012 ”, electrical drive and vibration detection are possible in the same manner as the beams 10-1 to 10-3, 107 of the double-supported beam structure.

電極11−1〜11−4,12−1〜12−4,13−1〜13−4,17−1〜17−4は、パラメトリック励振用の交流電圧の印加、振動検出、共振器間の結合を行うためのショットキー電極である。
結合用配線5−12,5−13,5−14,5−23,5−24,5−34は、Auのショットキーゲートにより形成され、隣接する2つのパラメトリック機械共振器の結合を電気的に行うものである。
The electrodes 11-1 to 11-4, 12-1 to 12-4, 13-1 to 13-4, and 17-1 to 17-4 are used for application of AC voltage for parametric excitation, vibration detection, and between resonators. This is a Schottky electrode for coupling.
Coupling wires 5-12, 5-13, 5-14, 5-23, 5-24, and 5-34 are formed of Au Schottky gates, and electrically couple two adjacent parametric mechanical resonators together. To do.

結合用配線5−12は、パラメトリック機械共振器1b−1の電極12−1とパラメトリック機械共振器1b−2の電極12−2とに接続され、結合用配線5−13は、パラメトリック機械共振器1b−1の電極13−1とパラメトリック機械共振器1b−3の電極12−3とに接続され、結合用配線5−14は、パラメトリック機械共振器1b−1の電極17−1とパラメトリック機械共振器1b−4の電極13−4とに接続され、結合用配線5−23は、パラメトリック機械共振器1b−2の電極13−2とパラメトリック機械共振器1b−3の電極13−3とに接続され、結合用配線5−24は、パラメトリック機械共振器1b−2の電極17−2とパラメトリック機械共振器1b−4の電極12−4とに接続され、結合用配線5−34は、パラメトリック機械共振器1b−3の電極17−3とパラメトリック機械共振器1b−4の電極17−4とに接続されている。なお、結合用配線5−14と結合用配線5−23とが電気的に接触しないように、これらの結合用配線の間には絶縁層18が形成されている。   The coupling wiring 5-12 is connected to the electrode 12-1 of the parametric mechanical resonator 1b-1 and the electrode 12-2 of the parametric mechanical resonator 1b-2, and the coupling wiring 5-13 is connected to the parametric mechanical resonator. The connection wiring 5-14 is connected to the electrode 13-1 of the parametric mechanical resonator 1b-1 and the electrode 17-1 of the parametric mechanical resonator 1b-1, and is connected to the electrode 12-1 of the parametric mechanical resonator 1b-3. The coupling wiring 5-23 is connected to the electrode 13-2 of the parametric mechanical resonator 1b-2 and the electrode 13-3 of the parametric mechanical resonator 1b-3. The coupling wiring 5-24 is connected to the electrode 17-2 of the parametric mechanical resonator 1b-2 and the electrode 12-4 of the parametric mechanical resonator 1b-4, and the coupling wiring 5-3. Is connected to the electrode 17-4 parametric mechanical resonator 1b-3 of the electrode 17-3 and the parametric mechanical resonator 1b-4. Note that an insulating layer 18 is formed between the coupling wires 5-14 and the coupling wires 5-23 so as not to be in electrical contact with each other.

本実施の形態の構造においては、メンブレン型のパラメトリック機械共振器の等方的な形状により、面内の様々な方向のパラメトリック機械共振器を結合させることが可能であり、本発明におけるイジングマシンの構成に、よりふさわしい構造であるといえる。   In the structure of the present embodiment, it is possible to couple parametric mechanical resonators in various directions in the plane by the isotropic shape of the membrane type parametric mechanical resonator. It can be said that the structure is more suitable for the configuration.

なお、第1、第2の実施の形態ではパラメトリック機械共振器が3つの場合、第3の実施の形態ではパラメトリック機械共振器が4つの場合について説明したが、電極や結合部を必要数だけ形成することにより、任意数のパラメトリック機械共振器に対しても同様のイジングマシンが形成できることは言うまでもない。   In the first and second embodiments, the case where there are three parametric mechanical resonators and the case where there are four parametric mechanical resonators in the third embodiment has been described. However, as many electrodes and coupling portions as necessary are formed. Thus, it goes without saying that a similar Ising machine can be formed for any number of parametric mechanical resonators.

また、第1〜第3の実施の形態では、圧電効果により周波数変調を引き起こすパラメトリック機械共振器を用いたが、静電的な相互作用や光照射によるものなど、あらゆる種類のパラメトリック機械共振器に対しても、同様に共振器間の線形結合を導入することにより、イジングマシンが形成できることは言うまでもない。   In the first to third embodiments, the parametric mechanical resonator that causes frequency modulation by the piezoelectric effect is used. However, any kind of parametric mechanical resonator such as an electrostatic interaction or light irradiation is used. On the other hand, it goes without saying that an Ising machine can be formed by similarly introducing linear coupling between resonators.

また、第1〜第3の実施の形態では、梁や振動部を構成する材料としてGaAs/AlGaAsのヘテロ構造材料を用いたが、電圧を印加することにより周波数変調が可能な、あらゆる固体材料を梁や振動部の材料として用いることができる。また、第1〜第3の実施の形態では、パラメトリック励振や信号検出の機構として圧電効果を用いたが、静電効果やローレンツ力(磁気的相互作用)を用いることもできる。   In the first to third embodiments, a GaAs / AlGaAs heterostructure material is used as a material constituting the beam and the vibration part. However, any solid material that can be frequency-modulated by applying a voltage is used. It can be used as a material for beams and vibrating parts. In the first to third embodiments, the piezoelectric effect is used as a mechanism for parametric excitation and signal detection, but an electrostatic effect and Lorentz force (magnetic interaction) can also be used.

また、第1〜第3の実施の形態では、電気的に振動モードを混合させる例を示したが、例えば熱応力を用いると、光を照射することによっても同様の効果を得ることができる。これに限定されず、2つの機械共振の周波数を外部から制御できるあらゆる手法を用いることができることは言うまでもない。   In the first to third embodiments, an example in which vibration modes are electrically mixed has been described. However, for example, when thermal stress is used, the same effect can be obtained by irradiating light. Needless to say, the present invention is not limited to this, and any method that can control the frequency of two mechanical resonances from the outside can be used.

また、第1〜第3の実施の形態では、複数のパラメトリック機械共振器の共振周波数がすべて一致している場合を示したが、共振周波数が異なる場合においても、文献「Hajime Okamoto,Adrien Gourgout,Chia-Yuan Chang,Koji Onomitsu,Imran Mahboob,Edward Yi Chang,Hiroshi Yamaguchi,“Coherent phonon manipulation in coupled mechanical resonators”,Nature Physics,9,598,2013」に示されているように、差周波や和周波を与えることによって異なる共振器間の結合を行う、パラメトリック結合を用いることも可能である。   Further, in the first to third embodiments, the case where the resonance frequencies of the plurality of parametric mechanical resonators all coincide with each other is shown, but even when the resonance frequencies are different, the literature “Hajime Okamoto, Adrien Gourgout, Difference frequency and sum frequency as shown in Chia-Yuan Chang, Koji Onomitsu, Imran Mahboob, Edward Yi Chang, Hiroshi Yamaguchi, “Coherent phonon manipulation in coupled mechanical resonators”, Nature Physics, 9, 598, 2013. It is also possible to use parametric coupling, which provides coupling between different resonators by providing

本発明は、入力された数値の組に対する問題の解を得る技術に適用することができる。   The present invention can be applied to a technique for obtaining a solution to a problem for a set of input numerical values.

1,1a,1b…パラメトリック機械共振器、2…発振器、3…ロックインアンプ、4…演算処理部、5…結合用配線、6…結合部、10…梁、11〜13,17…電極、14,15…支持部、16…振動部、18…絶縁層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b ... Parametric mechanical resonator, 2 ... Oscillator, 3 ... Lock-in amplifier, 4 ... Operation processing part, 5 ... Coupling wiring, 6 ... Coupling part, 10 ... Beam, 11-13, 17 ... Electrode, Reference numerals 14 and 15 are support parts, 16 are vibration parts, and 18 are insulating layers.

Claims (8)

基板との間に空間をあけて配置された振動部を備える機械共振器を複数個結合させたイジングマシンを用いて、問題の解を得る演算装置であって、
相互に結合された複数の機械共振器と、
前記複数の機械共振器の振動部を同時にパラメトリック励振し、その励振振幅と励振位相を各機械共振器について個別に制御可能な励振手段と、
前記複数の機械共振器の振動位相を個別に検出する検出手段と、
前記複数の機械共振器の振動位相をイジングスピン状態に対応するものとみなし、このイジングスピン状態を表す値を所定の式に代入して問題の解を得る演算処理手段とを備えることを特徴とする演算装置。
An arithmetic device that obtains a solution to a problem by using an Ising machine in which a plurality of mechanical resonators including a vibrating portion arranged with a space between the substrate and a substrate are coupled,
A plurality of mechanical resonators coupled together;
Excitation means capable of simultaneously parametrically exciting the vibration parts of the plurality of mechanical resonators, and individually controlling the excitation amplitude and the excitation phase for each mechanical resonator;
Detecting means for individually detecting vibration phases of the plurality of mechanical resonators;
Computation processing means that regards the vibration phases of the plurality of mechanical resonators as corresponding to the Ising spin state, and substitutes a value representing the Ising spin state into a predetermined equation to obtain a solution to the problem, Arithmetic unit to do.
請求項1記載の演算装置において、
前記演算処理手段は、前記複数の機械共振器の振動位相の組のうち最も頻繁に表れる振動位相の組を前記イジングスピン状態に対応するものとみなし、このイジングスピン状態を表す値を所定の式に代入して問題の解を得ることを特徴とする演算装置。
The arithmetic unit according to claim 1,
The arithmetic processing means regards a set of vibration phases that appears most frequently among a set of vibration phases of the plurality of mechanical resonators as corresponding to the Ising spin state, and sets a value representing the Ising spin state to a predetermined formula An arithmetic unit characterized by substituting into and obtaining a solution to the problem.
請求項1または2記載の演算装置において、
さらに、前記複数の機械共振器が形成される前記基板との間に空間をあけて配置され、隣接する機械共振器の振動部同士を結合する結合手段を備え、
前記機械共振器の機械振動に応じた前記結合手段の変形により、隣接する機械共振器間で機械振動を相互に伝搬させることで、前記複数の機械共振器を結合することを特徴とする演算装置。
In the arithmetic unit according to claim 1 or 2,
And a coupling means that is arranged with a space between the substrate on which the plurality of mechanical resonators are formed, and couples the vibrating portions of the adjacent mechanical resonators,
An arithmetic unit characterized in that the plurality of mechanical resonators are coupled by mutually propagating mechanical vibrations between adjacent mechanical resonators by deformation of the coupling means according to mechanical vibrations of the mechanical resonators. .
請求項1または2記載の演算装置において、
前記複数の機械共振器の振動部を構成する材料として圧電材料を用いることを特徴とする演算装置。
In the arithmetic unit according to claim 1 or 2,
A computing device using a piezoelectric material as a material constituting a vibration part of the plurality of mechanical resonators.
請求項4記載の演算装置において、
さらに、隣接する機械共振器の振動部同士を電気的に結合する結合用配線を備え、
前記機械共振器の機械振動に応じた圧電効果によって発生した電圧を、前記結合用配線を介して隣接する機械共振器間で相互に印加することで、前記複数の機械共振器を結合することを特徴とする演算装置。
The arithmetic unit according to claim 4, wherein
Furthermore, a wiring for electrically coupling the vibration parts of adjacent mechanical resonators is provided,
Coupling the plurality of mechanical resonators by mutually applying a voltage generated by a piezoelectric effect corresponding to the mechanical vibration of the mechanical resonators between adjacent mechanical resonators via the coupling wiring; Arithmetic unit characterized.
請求項1または2記載の演算装置において、
前記励振手段は、圧電効果による力、光照射による熱応力、静電力、あるいはローレンツ力のいずれかを用いて前記複数の機械共振器の振動部を励振し、
前記検出手段は、圧電効果、光照射による熱応力効果、静電効果、磁気的相互作用のいずれかを用いて前記複数の機械共振器の機械振動を電気信号に変換し、前記複数の機械共振器の振動位相を検出することを特徴とする演算装置。
In the arithmetic unit according to claim 1 or 2,
The excitation means excites the vibration parts of the plurality of mechanical resonators using any one of a force due to a piezoelectric effect, a thermal stress due to light irradiation, an electrostatic force, or a Lorentz force,
The detecting means converts a mechanical vibration of the plurality of mechanical resonators into an electric signal using any one of a piezoelectric effect, a thermal stress effect by light irradiation, an electrostatic effect, and a magnetic interaction, and the plurality of mechanical resonances. An arithmetic device characterized by detecting a vibration phase of a vessel.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の演算装置において、
前記問題は、N個(Nは2以上の整数)の整数を、集合内の数の和が互いに等しい2つの集合に分割可能かどうかを判定する分割問題であることを特徴とする演算装置。
The arithmetic device according to any one of claims 1 to 6,
The arithmetic apparatus according to claim 1, wherein the problem is a division problem that determines whether N (N is an integer of 2 or more) integers can be divided into two sets in which the sum of the numbers in the set is equal to each other.
基板との間に空間をあけて配置された振動部を備える機械共振器を複数個結合させたイジングマシンを用いて、問題の解を得る演算方法であって、
前記複数の機械共振器を同時にパラメトリック励振し、その励振振幅と励振位相を各機械共振器について個別に制御する励振ステップと、
前記複数の機械共振器の振動位相を個別に検出する検出ステップと、
前記複数の機械共振器の振動位相をイジングスピン状態に対応するものとみなし、このイジングスピン状態を表す値を所定の式に代入して問題の解を得る演算処理ステップとを含むことを特徴とする演算方法。
An arithmetic method for obtaining a solution to a problem by using an Ising machine in which a plurality of mechanical resonators including a vibrating portion arranged with a space between the substrate and a substrate are coupled,
An excitation step of simultaneously parametrically exciting the plurality of mechanical resonators and individually controlling an excitation amplitude and an excitation phase for each mechanical resonator;
A detection step of individually detecting vibration phases of the plurality of mechanical resonators;
An operation processing step that regards vibration phases of the plurality of mechanical resonators as corresponding to the Ising spin state, and substitutes a value representing the Ising spin state into a predetermined equation to obtain a solution to the problem. Calculation method to be performed.
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