JP6818320B2 - Ising model calculator - Google Patents
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Description
本発明はイジングモデルを光パルスにより擬似的にシミュレーションしたイジングモデルの計算装置に関する。 The present invention relates to an Ising model computing device in which an Ising model is simulated by an optical pulse.
従来から知られているノイマン型のコンピュータでは、ＮＰ完全問題に分類される組合せ最適化問題を効率よく解くことができない。組合せ最適化問題を解く手法として、磁性材料を格子点の各サイトに配置されたスピンの相互作用として統計力学的に解析した格子模型であるイジングモデルを用いた手法が提案されている。 Conventionally known von Neumann computers cannot efficiently solve combinatorial optimization problems classified as NP-complete problems. As a method for solving the combinatorial optimization problem, a method using the Ising model, which is a lattice model obtained by statistically analyzing the magnetic material as the interaction of spins arranged at each site of the lattice points, has been proposed.
イジングモデルの系のエネルギー関数であるハミルトニアンＨは、以下の式（１）に示す通り表わされることが知られている。 It is known that the Hamiltonian H, which is an energy function of the Ising model system, is expressed as shown in the following equation (1).
ここで、Ｊｉｊは結合定数であり、イジングモデルを構成する各サイトの相互関係を示している。σｉ、σｊは各サイトのスピンを表しており、１または−１の値をとる。 Here, Jij is a coupling constant and indicates the interrelationship of each site constituting the Ising model. σi and σj represent the spins of each site and take a value of 1 or -1.
イジングモデルを用いて組合せ最適問題を解く場合は、上記のイジングモデルのハミルトニアンにおいて、各サイトの相関関係であるＪｉｊを与えたときに、系が安定状態となってエネルギーＨの値が一番小さくなるσｉ、σｊを求めることにより、最適解が得られる。近年では、光パルスを利用して、こうしたイジングモデルを擬似的にシミュレーションすることにより、ＮＰ完全問題などの組合せ最適化問題を解くことができる計算装置が注目されている（特許文献１）。 When solving the combination optimization problem using the Ising model, in the Hamiltonian of the above Ising model, when Jij, which is the correlation of each site, is given, the system becomes stable and the value of energy H is the smallest. The optimum solution can be obtained by finding σi and σj. In recent years, a computing device capable of solving a combinatorial optimization problem such as an NP-complete problem by simulating such an Ising model using an optical pulse has attracted attention (Patent Document 1).
図１は、イジングモデルの計算装置の基本構成を示す図である。イジングモデルの計算装置は、図１に示すように、リング共振器１として機能するリング状の光ファイバ内に設けられたＰＳＡ（位相感応増幅器：Ｐｈａｓｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２に対して、ポンプ光パルス（ｐｕｍｐ）を注入することによりイジングモデルのサイト数に対応する数の光パルスの列を生成するように構成している（２値化ＯＰＯ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ：０またはπ位相の光パラメトリック発振）。リング共振器１に入力された光パルス列が１周して再びＰＳＡ２に到達すると、再びＰＳＡ２にポンプ光が入力されることにより光パルス列が増幅される。最初のポンプ光の注入により発生する光パルス列は位相が定まらない微弱なパルスであり、リング共振器１内を周回するたびにＰＳＡ２で増幅されることによって、次第にその位相状態が定まる。ＰＳＡ２は各光パルスを０またはπの位相のみを増幅するので、これらのいずれかの位相状態に定まることになる。 FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a computing device of the Ising model. As shown in FIG. 1, the computing device of the Zing model is a pump optical pulse (Phase Sensitive Amplifier) 2 provided in a ring-shaped optical fiber that functions as a ring resonator 1. By injecting pump), it is configured to generate a sequence of a number of optical pulses corresponding to the number of sites in the Rising model (binarized OPO: Optical Parametric Oscillation: 0 or π-phase optical parametric oscillation). When the optical pulse train input to the ring resonator 1 makes one round and reaches PSA2 again, the pump light is input to PSA2 again to amplify the optical pulse train. The optical pulse train generated by the injection of the first pump light is a weak pulse whose phase is not fixed, and its phase state is gradually determined by being amplified by the PSA2 each time it orbits in the ring resonator 1. Since the PSA2 amplifies each optical pulse only in the phase of 0 or π, it is determined to be in one of these phase states.
イジングモデルの計算装置では、イジングモデルにおけるスピンの１、−１を、光パルスの（ポンプパルスに対する相対）位相０、πに対応させて実装している。光パルスの周回ごとに、外部の測定部３で光パルス列の位相および振幅の測定を行ない、その測定結果を、あらかじめ結合係数Ｊｉｊを与えた演算器４に入力して、これらを用いてｉ番目のパルスに対する結合信号（フィードバック入力する信号） In the Ising model computing device, the spins 1 and -1 in the Ising model are implemented corresponding to the phases 0 and π of the optical pulse (relative to the pump pulse). The phase and amplitude of the optical pulse train are measured by the external measuring unit 3 for each circuit of the optical pulse, and the measurement results are input to the arithmetic unit 4 to which the coupling coefficient Jij is given in advance, and the i-th is used. Combined signal for the pulse of (feedback input signal)
（ｃｊ：ｊ番目のサイトの光パルスの振幅）を演算する。さらに、外部パルス入力部５により演算した結合信号に応じた外部パルスを生成してリング共振器１内に入力するフィードバックループ制御により、光パルス列を構成する各光パルス間で位相に相関関係を付与することができる。 (Cj: Amplitude of the optical pulse at the jth site) is calculated. Further, the phase is correlated between the optical pulses constituting the optical pulse train by the feedback loop control in which the external pulse corresponding to the coupling signal calculated by the external pulse input unit 5 is generated and input into the ring resonator 1. can do.
イジングモデルの計算装置では、上記の相関関係を付与しながら光パルス列をリング共振器１内を周回増幅させて、安定状態となったときの光パルス列を構成する各光パルスの位相０、πを測定することにより、イジングモデルの解を求めることができる。 In the Ising model computing device, the optical pulse train is orbitally amplified in the ring resonator 1 while imparting the above correlation, and the phases 0 and π of each optical pulse constituting the optical pulse train when it becomes stable are set. By measuring, the solution of the Ising model can be obtained.
イジングモデルの計算装置において、より大規模な組合せ演算を処理するためには、サイト数ができるだけ多いことが望まれる。各サイトは各光パルスに対応しており、サイト数を大きくするには、光パルスの数（２値化ＯＰＯ多重化数）を大きくする必要がある。リング状の光ファイバの長さ（リング共振器長）は、パルス数とそのパルス間隔の積とフィードバック処理にかかる時間分の長さを加えたもので与えられるので、パルス数を大きくすると、光パルスの繰り返し周波数を上げるかリング共振器長を長くする必要が生じる。 In order to process a larger-scale combinatorial operation in the Ising model computing device, it is desirable that the number of sites is as large as possible. Each site corresponds to each optical pulse, and in order to increase the number of sites, it is necessary to increase the number of optical pulses (the number of binarized OPO multiplexing). The length of the ring-shaped optical fiber (ring resonator length) is given by adding the product of the number of pulses and the pulse interval and the length required for feedback processing. Therefore, when the number of pulses is increased, the light is emitted. It becomes necessary to increase the pulse repetition frequency or increase the ring resonator length.
しかしながら、リング共振器長を長くするということは、それだけリング共振器の安定性が低下し、コヒーレンスを保つことが難しくなったり、損失が増大することとなる。このように、微弱なパルスを測定対象とするイジングモデルの計算装置においては、リング共振器長や光周波数にはある程度の限界がある。したがって、イジングモデルの計算装置の２値化ＯＰＯ多重化数には限界があった。 However, increasing the length of the ring resonator reduces the stability of the ring resonator, making it difficult to maintain coherence and increasing the loss. As described above, in the Ising model calculation device that measures a weak pulse, there are some limits on the ring resonator length and the optical frequency. Therefore, there is a limit to the number of binarized OPO multiplexings in the Ising model calculator.
また、２値化ＯＰＯ多重化が進むにつれて、フィードバック処理に用いられるＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）の処理負荷が増大するので、ＦＰＧＡのスペックによっても２値化ＯＰＯ多重化数に限界があった。 Further, as the binarized OPO multiplexing progresses, the processing load of the FPGA (Field Programmable Gate Array) used for the feedback processing increases, so that the number of binarized OPO multiplexing is limited depending on the specifications of the FPGA.
本発明はかかる従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、従来の２値化ＯＰＯ多重化数の限界を超えた多重化を実現できるイジングモデルの計算装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide an Ising model computing device capable of realizing multiplexing exceeding the limit of the conventional binarized OPO multiplexing number. It is in.
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、イジングモデルの複数のスピンに擬似的に対応し、同一の発振周波数を有する複数の光パルスを前記イジングモデルにおけるスピンの１または−１に対応する０またはπの位相でパラメトリック発振させる位相感応増幅器と、前記複数の光パルスを周回伝搬させるリング共振器と、前記複数の光パルスが前記リング共振器を周回伝搬するたびに、前記複数の光パルスの位相および振幅を測定する、光パルス測定部と、ある光パルスに対して光パルスの振幅および位相を制御して重ね合せることにより、前記イジングモデルの結合係数と前記光パルス測定部において測定した光パルスの位相および振幅とに基づいて決定される前記ある光パルスに関わる相互作用を実装する相互作用実装部と、を有する光パルス共振装置を複数備え、複数の前記光パルス共振装置の前記光パルス測定部において測定した光パルスの位相および振幅の情報を入力として、前記イジングモデルの結合係数と前記複数の前記光パルス共振装置において測定した光パルスとから決定される、前記ある光パルスに関わる相互作用を計算して、前記複数の前記光パルス共振装置の前記相互作用実装部に出力する、相互作用計算部をさらに備え、前記相互作用計算部は、測定したＮ個の光パルスの位相および振幅がｃ 1 、ｃ 2 、ｃ 3 、ｃ 4 、・・・ｃ N-1 、ｃ N を要素とする列ベクトルに対し、イジングモデルの結合係数を演算パラメータとする以下に示す行列を乗算して、得られた列ベクトルの要素ｆ 1 、ｆ 2 、ｆ 3 、ｆ 4 、・・・ｆ N-1 、ｆ N を前記Ｎ個の光パルスに対応するＮ個のある光パルスに関わる相互作用として出力し、
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本発明のイジングモデルの計算装置では、次式（１）のハミルトニアンで表されるイジングモデルのスピン方向σｉ、σｊ（±１）を光パルスの位相（０、π）に置き換えることにより、イジングモデルにマッピングされた問題を計算することができる。 In the Ising model computing device of the present invention, the Ising model is obtained by replacing the spin directions σi and σj (± 1) of the Ising model represented by the Hamiltonian of the following equation (1) with the phase (0, π) of the optical pulse. You can calculate the problem mapped to.
（基本構成）
図１はイジングモデルの計算装置の基本構成を示す図である。本発明のイジングモデルの計算装置は、図１に示すイジングモデルの計算装置の基本構成の一部を変形した構成を備えている。したがってまず、図１に基づいてイジングモデルの計算装置の基本構成について説明する。
(Basic configuration)
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a computing device of the Ising model. The Ising model computing device of the present invention includes a configuration in which a part of the basic configuration of the Ising model computing device shown in FIG. 1 is modified. Therefore, first, the basic configuration of the Ising model computing device will be described with reference to FIG.
図１において、イジングモデルの計算装置の基本構成は、リング状の光ファイバで構成されたリング共振器１と、リング共振器１内に設けられたＰＳＡ（位相感応増幅器）２と、リング共振器１から分岐されたフィードバック系である、測定部３と演算器４と外部パルス入力部５とを備えている。 In FIG. 1, the basic configuration of the Zing model computing device is a ring resonator 1 composed of a ring-shaped optical fiber, a PSA (phase sensitive amplifier) 2 provided in the ring resonator 1, and a ring resonator. It includes a measuring unit 3, an arithmetic unit 4, and an external pulse input unit 5, which are feedback systems branched from 1.
ＰＳＡ２は、イジングモデルの複数のスピンに擬似的に対応し、同一の発振周波数を有する複数の光パルスの列（光パルス列）をポンプ光源（厳密にはポンプ光パルス生成に用いる局発光）の位相に対して０またはπの位相でパラメトリック発振させる。ＰＳＡ２は、例えば２次の非線形光学効果を発現するＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）などの非線形光学結晶によって構成される。 The PSA2 pseudo-corresponds to multiple spins of the Ising model, and the phase of the pump light source (strictly speaking, the local emission used for pump light pulse generation) is a sequence of multiple optical pulses having the same oscillation frequency (optical pulse sequence). Parametric oscillation is performed with respect to 0 or π. PSA2 is composed of nonlinear optical crystals such as PPLN (Periodically Poled Lithium niobate) that exhibits a second-order nonlinear optical effect, for example.
ＰＳＡ２は、シグナル光（信号光）とポンプ光（励起光）が入力されると、ポンプ光源の位相に対して０またはπの位相の微弱なパルス（アイドラ光）を発生する。ＰＳＡ２では、最初にシグナル光が発生していない状態でポンプ光のみを入力した場合でも、自然放出光として微弱な雑音光パルスを発生することができる。 When the signal light (signal light) and the pump light (excitation light) are input, the PSA2 generates a weak pulse (idler light) having a phase of 0 or π with respect to the phase of the pump light source. In PSA2, even when only pump light is input in a state where signal light is not generated for the first time, a weak noise light pulse can be generated as spontaneous emission light.
ＰＳＡ２では、周波数ωを有する局部発振光（ＬＯ光）を第２高調波発生器により２倍波である周波数２ωに変換したポンプ光が用いられる。これまでポンプ光がなく、まさにポンプ光をＰＳＡ２に入れ始めた時には、パラメトリック下方変換過程により、微弱な雑音光パルスが発生する。さらに、ＰＳＡ２では、リング共振器１内を周回伝搬した光パルス列の各光パルスが再び入力されたとき、かかる光パルス列がシグナル光 In PSA2, pump light obtained by converting locally oscillating light (LO light) having a frequency ω into a frequency 2ω which is a double wave by a second harmonic generator is used. When there is no pump light so far and the pump light is just started to enter the PSA2, a weak noise light pulse is generated by the parametric downward conversion process. Further, in the PSA2, when each optical pulse of the optical pulse train propagating in the ring resonator 1 is input again, the light pulse train becomes a signal light.
となり、このシグナル光に完全に位相整合したポンプ光 And the pump light that is perfectly phase-matched to this signal light
がさらにＰＳＡ２に入力されると、２次の非線形光学効果であるＯＰＯ（光パラメトリック増幅）により、シグナル光Ｅｓの位相共役波となるアイドラ光 Is further input to PSA2, and the idler light becomes a phase-conjugated wave of the signal light Es by OPO (optical parametric amplification), which is a second-order nonlinear optical effect.
が発生する。 Occurs.
このとき、シグナル光とアイドラ光の周波数が一致する場合、以下の縮退波が出力される。 At this time, if the frequencies of the signal light and the idler light match, the following degenerate wave is output.
この出力される縮退波は、位相共役の関係にあるシグナル光とアイドラ光との重ね合わせなので、位相が０またはπの波が効率よく増幅されることになる。こうして、ＰＳＡ２では当初発生した微弱な光パルス列のうち、ポンプ光源の位相に対して０またはπの位相成分が増幅されることになる。 Since the output degenerate wave is a superposition of the signal light and the idler light having a phase conjugation relationship, the wave having a phase of 0 or π is efficiently amplified. In this way, in PSA2, the phase component of 0 or π is amplified with respect to the phase of the pump light source in the weak optical pulse train initially generated.
リング共振器１は、ＰＳＡ２で発生した複数の光パルス（光パルス列）を周回伝搬させる。リング共振器１は、リング状の光ファイバで構成することができる。リング共振器１を構成する光ファイバの長さは、（光パルス列を構成するパルスの数）×（パルス間隔）にフィードバック処理にかかる時間分の長さを加えたものに設定される。 The ring resonator 1 orbits a plurality of optical pulses (optical pulse trains) generated by the PSA2. The ring resonator 1 can be composed of a ring-shaped optical fiber. The length of the optical fiber constituting the ring resonator 1 is set to be (the number of pulses constituting the optical pulse train) × (pulse interval) plus the length of the time required for the feedback process.
測定部３は、複数の光パルス（光パルス列）がリング共振器１を周回伝搬するたびに、その複数の光パルスの位相および振幅を測定する。具体的には測定部３は、リング共振器１内を伝搬する光パルス列を分岐してその振幅を含めた位相状態をコヒーレント測定する。コヒーレント測定は、バランスドホモダイン検波器を用いて被測定光として入力される光パルス列の振幅と位相を測定することができる。 The measuring unit 3 measures the phase and amplitude of the plurality of optical pulses each time the plurality of optical pulses (optical pulse trains) propagate around the ring resonator 1. Specifically, the measuring unit 3 branches the optical pulse train propagating in the ring resonator 1 and coherently measures the phase state including the amplitude thereof. In the coherent measurement, the amplitude and phase of the optical pulse train input as the light to be measured can be measured using a balanced homodyne detector.
図２はバランスドホモダイン検波器３０の構成例を示す図である。バランスドホモダイン検波器３０は、測定する光パルス列と同じ周波数の同期した光を基準光として、光パルス列を構成する光に干渉させて、その振幅と位相状態を測定することができる。バランスドホモダイン検波器３０は、ポート１およびポート２からの光を干渉させてポート３およびポート４に出力するハーフミラー３１と、ポート３から出力される光を検出する第１の光検出器３２とポート４から出力される光を検出する第２の光検出器３３と、第１および第２の光検出器３２、３３の検出結果の差分を演算する差分演算部３４とを有している。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the balanced homodyne detector 30. The balanced homodyne detector 30 can measure the amplitude and the phase state of the synchronized light having the same frequency as the light pulse train to be measured by interfering with the light constituting the light pulse train as a reference light. The balanced homodyne detector 30 has a half mirror 31 that interferes with the light from the port 1 and the port 2 and outputs the light to the port 3 and the port 4, and a first photodetector 32 that detects the light output from the port 3. It has a second photodetector 33 that detects the light output from the port 4 and a difference calculation unit 34 that calculates the difference between the detection results of the first and second photodetectors 32 and 33. ..
ポート１には被測定光として光パルス列Ｅsｅi(ωt+θ)が入力され、ポート２には、振幅と位相が既知である基準光ＥLoｅiωtが入力される。ポート１から入力された光パルス列は、ハーフミラー３１において、同位相でポート３に向けて透過する成分と、位相がπだけ変化させられてポート４に向けて反射される成分に分岐する。ポート２から入力された基準光は、ハーフミラー３１において、同位相でポート４に向けて透過する成分と、同位相でポート３に向けて反射される成分に分岐する。 The port 1 optical pulse train E s e i (ωt + θ ) is input as the measured light, the port 2, the reference light E Lo e iωt amplitude and phase are known are input. In the half mirror 31, the optical pulse train input from the port 1 branches into a component transmitted toward the port 3 in the same phase and a component whose phase is changed by π and reflected toward the port 4. The reference light input from the port 2 is branched into a component transmitted toward the port 4 in the same phase and a component reflected toward the port 3 in the same phase in the half mirror 31.
ポート１から入力された光パルス列の同位相成分とポート２から入力された基準光の同位相成分とが干渉した出力光 Output light in which the in-phase component of the optical pulse train input from port 1 and the in-phase component of the reference light input from port 2 interfere with each other.
がポート３から出力され、第１の検出器３２では、光強度 Is output from port 3, and in the first detector 32, the light intensity
を示す電気信号が検出される。 An electrical signal indicating is detected.
ポート１から入力された光パルス列の逆位相成分とポート２から入力された基準光の同位相成分とが干渉して出力光 The anti-phase component of the optical pulse train input from port 1 and the in-phase component of the reference light input from port 2 interfere with the output light.
がポート４から出力され、第２の検出器３３では、光強度 Is output from port 4, and in the second detector 33, the light intensity
で表される電気信号が検出される。 The electrical signal represented by is detected.
さらに、差分演算部３４では、第１の検出器３２における検出信号と第２の検出器３３における検出信号との差分が演算されて、２ＥLoＥsｃｏｓθが出力される。 Further, the difference calculation unit 34 calculates the difference between the detection signal in the first detector 32 and the detection signal in the second detector 33, and outputs 2E LoE s cos θ.
したがって、基準光ＥLoｅiωtの振幅ＥLoと位相ｅiωtが既知であるので、測定結果として振幅と位相のｃｏｓ成分（符号のみ）の積±Ｅが得られることとなる。
また、振幅と位相のｓｉｎ成分の積を測定するためには、基準光の位相をπ/２ずらしたもので測定することにより得ることができる。 振幅と位相のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分との双方の測定結果から振幅と位相の双方を求めることができる。ただし、本来は双方の値を測定してフィードバックするべきであるが、先行研究のシミュレーション結果からｃｏｓ成分のみのフィードバックで十分な効果が得られるため、以下ではｃｏｓ成分のみのフィードバックとしている。測定結果として得られる値は、符号つきアナログ値（±Ｅ）であり、符号（±）が位相を示し、アナログ値（Ｅ）が振幅を示すことになる。
Therefore, since the amplitude E Lo and the phase e iωt of the reference light E Lo e iωt are known, the product ± E of the cos component (sign only) of the amplitude and the phase can be obtained as the measurement result.
Further, in order to measure the product of the sin component of the amplitude and the phase, it can be obtained by measuring with the phase of the reference light shifted by π / 2. Both the amplitude and the phase can be obtained from the measurement results of both the cos component and the sin component of the amplitude and the phase. However, originally, both values should be measured and fed back, but since a sufficient effect can be obtained by feedback of only the cos component from the simulation results of the previous research, the feedback of only the cos component is used below. The value obtained as a measurement result is a signed analog value (± E), where the sign (±) indicates the phase and the analog value (E) indicates the amplitude.
図１に戻ると、演算器４は、測定した光パルスの位相および振幅に関する情報を入力として、イジングモデルにマッピングされた結合係数および他の光パルスの位相および振幅に関する情報に基づいて、光パルスが関わる相互作用を計算する。 Returning to FIG. 1, the arithmetic unit 4 takes the measured phase and amplitude of the optical pulse as input, and based on the coupling coefficient mapped to the rising model and the information on the phase and amplitude of the other optical pulse, the optical pulse Calculate the interactions that involve.
具体的には演算器４は、測定部で測定した光パルス列の振幅と位相に関する情報に対して、結合係数を与える演算を行なう。演算器４としては例えばＦＰＧＡを用いることができる。演算器４では、以下に示す式（２）に従って演算を行なう。 Specifically, the arithmetic unit 4 performs an operation of giving a coupling coefficient to information on the amplitude and phase of the optical pulse train measured by the measuring unit. For example, FPGA can be used as the arithmetic unit 4. The arithmetic unit 4 performs an calculation according to the following equation (2).
上式において、ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４、ｃ５はそれぞれ測定部３における各パルスについての測定結果であり、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５はそれぞれ演算結果である。行列の演算パラメータＪ12、Ｊ13、Ｊ14、Ｊ15、・・・・Ｊ53、Ｊ54は、イジングモデルにマッピングされた結合係数であり、解を求めようとする問題に応じて決定される。 In the above equation, c1, c2, c3, c4, and c5 are measurement results for each pulse in the measuring unit 3, and f1, f2, f3, f4, and f5 are calculation results, respectively. The arithmetic parameters J 12 , J 13 , J 14 , J 15 , ... J 53 , J 54 of the matrix are the coupling coefficients mapped to the Ising model and are determined according to the problem for which the solution is to be found. Ising.
上式に示すように、演算器４では、測定部３における測定結果を要素とする列ベクトルを生成し、生成した列ベクトルに対して行列を乗算する演算を行ない演算結果を得る。なお、ここではサイト数が５の場合を例に挙げて説明しているが、サイト数に応じて用いる正方行列の大きさが決まる。正方行列は（サイト数）×（サイト数）の大きさとなる。 As shown in the above equation, the arithmetic unit 4 generates a column vector having the measurement result in the measuring unit 3 as an element, performs an operation of multiplying the generated column vector by a matrix, and obtains an arithmetic result. Although the case where the number of sites is 5 is described here as an example, the size of the square matrix to be used is determined according to the number of sites. The square matrix is the size of (number of sites) x (number of sites).
例えば、サイト数（光のパルス列を構成する光パルスの数）をＮとすると、相互作用計算部は、次式（３）により行列の演算を行なう。 For example, assuming that the number of sites (the number of light pulses constituting the light pulse train) is N, the interaction calculation unit calculates the matrix by the following equation (3).
外部パルス入力部５は、測定した光パルスの位相および振幅に基づいて演算された演算結果ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４・・・ｆＮ−１、ｆＮを用いて、リング共振器１内を周回する光パルスに対して重ね合わされる光パルスの振幅および位相を制御することにより、光パルスが関わる相互作用の大きさおよび符号を実装する。 The external pulse input unit 5 orbits in the ring resonator 1 using the calculation results f1, f2, f3, f4 ... fN-1, fN calculated based on the phase and amplitude of the measured optical pulse. By controlling the amplitude and phase of the optical pulse superimposed on the optical pulse, the magnitude and sign of the interaction involving the optical pulse is implemented.
具体的には外部パルス入力部５は、演算結果に比例する振幅および位相を有する光パルス列をリング共振器１内の光パルス列と同じ周波数で同期して合波する。例えば、ポンプ光を生成する光源からの光（局部発振パルス）を分岐したものを変調して外部パルスとして入力することによって、リング共振器１内の光パルス列と周波数が一致した光パルスを同期して入力することができる。リング共振器１内の光パルス列に対して演算結果に応じた外部パルスを合波することにより、リング共振器１内の光パルス列に擬似的な相互作用を与えることができる。 Specifically, the external pulse input unit 5 synchronizes and harmonizes an optical pulse train having an amplitude and a phase proportional to the calculation result at the same frequency as the optical pulse train in the ring resonator 1. For example, by modulating a branched light (local oscillation pulse) from a light source that generates pump light and inputting it as an external pulse, an optical pulse having the same frequency as the optical pulse train in the ring resonator 1 is synchronized. Can be entered. By merging an external pulse according to the calculation result with the optical pulse train in the ring resonator 1, a pseudo interaction can be given to the optical pulse train in the ring resonator 1.
このように外部パルス入力部５によりフィードバック入力する構成によれば、ｉ番目の光パルスのｃｏｓ成分ｃｉ、光共振器周回数ｎ、スピン数Ｎ、演算された相互作用の大きさｆｉ、外部パルスの比率Ｋを用いて、フィードバック後の光パルス列の信号は以下に示す式（４）で表される。 According to the configuration in which feedback is input by the external pulse input unit 5, the cos component ci of the i-th optical pulse, the number of optical resonator circumferences n, the number of spins N, the calculated interaction magnitude fi, and the external pulse The signal of the optical pulse train after feedback is expressed by the following equation (4) using the ratio K of.
以上の式（４）では、リング共振器１内の光パルス列にｃｉ（ｎ）に対して結合比率Ｋで外部パルス入力部５による外部光パルス列（相互作用の大きさ） In the above equation (4), the external optical pulse train by the external pulse input unit 5 has a coupling ratio K with respect to ci (n) in the light pulse train in the ring resonator 1 (magnitude of interaction).
が合波されたものが、フィードバック後の光パルス列ｃ’ｉ（ｎ）となることが示されている。 It is shown that the combined wave becomes the optical pulse train c'i (n) after feedback.
上式で示される光パルス列ｃ’ｉ（ｎ）が再びＰＳＡ２に入力すると増幅されて光パルス列ｃｉ（ｎ＋１）となる。以上の構成により、イジングモデルの計算装置では、増幅とフィードバックを繰り返しながら、光パルス列を問題に応じた安定状態に導いていく。 When the optical pulse train c'i (n) represented by the above equation is input to the PSA2 again, it is amplified to become the light pulse train c'i (n + 1). With the above configuration, the Ising model calculator guides the optical pulse train to a stable state according to the problem while repeating amplification and feedback.
図３は、イジングモデルの計算装置の基本構成における処理フローである。図３に示すように、イジングモデルの計算装置では、最初にＰＳＡ２に対してポンプ光が注入されると、微弱な雑音光パルス列が発生し（Ｓ１）、発生した雑音光パルス列はリング共振器内を周回伝搬する。リング共振器１内を周回伝搬する光パルス列の一部が分岐され、測定部３によりその振幅および位相が測定される（Ｓ２）。 FIG. 3 is a processing flow in the basic configuration of the Ising model computing device. As shown in FIG. 3, in the Ising model computing device, when the pump light is first injected into the PSA2, a weak noise light pulse train is generated (S1), and the generated noise light pulse train is inside the ring resonator. Propagates around. A part of the optical pulse train propagating in the ring resonator 1 is branched, and the amplitude and phase thereof are measured by the measuring unit 3 (S2).
光パルス列の測定結果が得られると、演算器４において、解を求めるべき問題に応じた結合係数がマッピングされた行列により相互作用が演算され（Ｓ４）、演算結果に応じた位相と振幅を有する外部パルスが外部パルス入力部５によりリング共振器１に入力され、リング共振器１内の光パルス列に合波されることによりフィードバックが与えられる（Ｓ５）。 When the measurement result of the optical pulse train is obtained, the interaction is calculated by the matrix in which the coupling coefficient corresponding to the problem to be obtained is mapped in the arithmetic unit 4 (S4), and has the phase and amplitude according to the calculation result. The external pulse is input to the ring resonator 1 by the external pulse input unit 5, and is combined with the optical pulse train in the ring resonator 1 to provide feedback (S5).
フィードバック後の光パルス列は、再びＰＳＡ２に入力され、同期したポンプ光により増幅され（Ｓ６）、再びリング共振器１内を周回伝搬する。ＰＳＡ２で増幅された後、リング共振器１内を再び伝搬する光パルス列に対して、再びコヒーレント測定、行列による演算、演算結果に応じたフィードバックが施されることが繰り返される。 The optical pulse train after the feedback is input to the PSA2 again, amplified by the synchronized pump light (S6), and propagates in the ring resonator 1 again. After being amplified by the PSA2, the optical pulse train propagating again in the ring resonator 1 is repeatedly subjected to coherent measurement, matrix calculation, and feedback according to the calculation result.
このような光パルス列に対する増幅とフィードバックが所定回繰り返される（Ｓ３）と、光パルス列の状態が安定状態となる。安定状態となった時に測定部３において得られた測定結果の位相状態である０またはπをイジングモデルのスピンσの状態（±１）に置き換えて、解くべき問題にマッピングし直すことによって与えられた問題に対する解が得られることとなる。 When such amplification and feedback for the optical pulse train are repeated a predetermined number of times (S3), the state of the optical pulse train becomes stable. It is given by replacing 0 or π, which is the phase state of the measurement result obtained by the measuring unit 3 when the stable state is reached, with the spin σ state (± 1) of the Ising model, and remapping it to the problem to be solved. The solution to the problem will be obtained.
かかるイジングモデルの計算装置の基本構成に基づいて、本発明の各実施形態について以下に説明する。 Each embodiment of the present invention will be described below based on the basic configuration of the Ising model computing device.
（第１の実施形態）
第１の実施形態のイジングモデルの計算装置は、基本構成においては１つのリング共振器に対し、１つの演算器により行っていたフィードバック演算を、複数のリング共振器を用いて複数の２値化ＯＰＯによりそれぞれ光パルス列を生成しつつ、これら複数のリング共振器における光パルス列の測定結果を１つの演算器でまとめて演算処理することにより、多重化を図る構成である。その他の構成は基本構成と同じである。
(First Embodiment)
In the basic configuration, the computing device of the Zing model of the first embodiment converts the feedback calculation performed by one arithmetic unit for one ring resonator into a plurality of binarizations by using a plurality of ring resonators. The configuration is such that the optical pulse trains are generated by the OPO, and the measurement results of the optical pulse trains in the plurality of ring resonators are collectively calculated and processed by one arithmetic unit to achieve multiplexing. Other configurations are the same as the basic configuration.
図４は、第１の本実施形態のイジングモデルの計算装置の概略構成を示す図である。本実施形態のイジングモデルの計算装置は、図４に示すように、複数のリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれに、ＰＳＡ２ａ、２ｂ、２ｃと測定部３ａ、３ｂ、３ｃと外部パルス入力部５ａ、５ｂ、５ｃとが設けられており、これらの複数のリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃに対して１つの演算器４１を備えた構成である。図４では、多重化数が３である場合を例に挙げて説明している。 FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a calculation device of the Ising model of the first embodiment. As shown in FIG. 4, the computing device of the Zing model of the present embodiment has PSA2a, 2b, 2c, measurement units 3a, 3b, 3c, and an external pulse input unit, respectively, for the plurality of ring resonators 1a, 1b, and 1c. 5a, 5b, and 5c are provided, and one arithmetic unit 41 is provided for each of the plurality of ring resonators 1a, 1b, and 1c. In FIG. 4, a case where the number of multiplexings is 3 is described as an example.
本実施形態のイジングモデルの計算装置では、３つのリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃと、これらの３つのリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれに対応して設けられる、３つのＰＳＡ２ａ、２ｂ、２ｃ、３つの測定部３ａ、３ｂ、３ｃ、および３つの外部パルス入力部５ａ、５ｂ、５ｃは、図１に示す基本構成のものと同様のものを用いることができるが、演算器４１は３つ入力と３つの出力を有するものを用いることができる。 In the Ising model computing device of the present embodiment, the three ring resonators 1a, 1b, 1c and the three PSA2a, 2b, which are provided corresponding to the three ring resonators 1a, 1b, and 1c, respectively. The 2c, the three measuring units 3a, 3b, 3c, and the three external pulse input units 5a, 5b, and 5c can be the same as those having the same basic configuration as shown in FIG. 1, but the arithmetic unit 41 is 3. One having one input and three outputs can be used.
演算器４１は、多重化数に応じた入出力数を備えおり、多重化したリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃの測定部３ａ、３ｂ、３ｃと外部パルス入力部５ａ、５ｂ、５ｃと入出力が接続されている。本実施形態では１つの演算器４１が、３つのリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃで測定した測定結果Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を３つの入力から受け取り、これらをまとめて演算する。演算器４１は、３つのリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃにおける測定結果Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を要素とした列ベクトルを生成し、かかる列ベクトルに対して行列を乗算する演算を行ない、３つの出力から３つのリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃに出力するＦ１、Ｆ２、Ｆ３を要素とした列ベクトルの演算結果を得る。 The arithmetic unit 41 has an input / output number corresponding to the number of multiplexings, and inputs / outputs with the measuring units 3a, 3b, 3c of the multiplexed ring resonators 1a, 1b, 1c and the external pulse input units 5a, 5b, 5c. Is connected. In the present embodiment, one arithmetic unit 41 receives the measurement results M1, M2, and M3 measured by the three ring resonators 1a, 1b, and 1c from the three inputs, and calculates them collectively. The arithmetic unit 41 generates a column vector having the measurement results M1, M2, and M3 of the three ring resonators 1a, 1b, and 1c as elements, performs an operation of multiplying the column vector by a matrix, and performs three outputs. The calculation result of the column vector having F1, F2, and F3 output to the three ring resonators 1a, 1b, and 1c as elements is obtained from.
例えば、３つのリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃで光パルスを２つずつ測定する場合を想定する。第１のリング共振器１ａでｃ1、ｃ2が測定され、第２のリング共振器１ｂでｃ3、ｃ4が測定され、第３のリング共振器１ｃでｃ5、ｃ6が測定された場合、次式（５）のように列ベクトルが生成され、行列が乗算される。なお、サイト数Ｎを用いて式（５）を一般化すると、式（３）の行列を用いることができる。 For example, assume a case where two optical pulses are measured by three ring resonators 1a, 1b, and 1c. C 1 and c 2 are measured by the first ring resonator 1a, c 3 and c 4 are measured by the second ring resonator 1b, and c 5 and c 6 are measured by the third ring resonator 1 c. In this case, a column vector is generated as in the following equation (5), and the matrix is multiplied. If the equation (5) is generalized using the number of sites N, the matrix of the equation (3) can be used.
上式により得られた列ベクトルの要素のうち、ｆ1、ｆ2は第１のリング共振器１ａの外部パルス入力部５ａに入力され、ｆ3、ｆ4は第２のリング共振器１ｂの外部パルス入力部５ｂに入力され、ｆ5、ｆ6は第３のリング共振器１ｃの外部パルス入力部５ｃに入力される。 Of the elements of the column vector obtained by the above equation, f 1 and f 2 are input to the external pulse input unit 5a of the first ring resonator 1a, and f 3 and f 4 are the elements of the second ring resonator 1b. It is input to the external pulse input unit 5b, and f 5 and f 6 are input to the external pulse input unit 5c of the third ring resonator 1c.
各リング共振器１ａ、１ｂ、１ｃの外部パルス入力部５ａ、５ｂ、５ｃは、得られたｆiの値に比例する大きさに外部パルスを変調して、対応するリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃに入力する。 Each ring resonators 1a, 1b, 1c of the external pulse input section 5a, 5b, 5c is a magnitude proportional to the value of the obtained f i by modulating the external pulse, corresponding ring resonators 1a, 1b, Enter in 1c.
このように、複数の光パルス列に対する増幅を各リング共振器１ａ、１ｂ、１ｃでそれぞれ別々に行なう一方で、全てのリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃにおける光パルス列の測定結果を合わせて演算するので、複数のリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃにおける全てのパルスに相関関係を付与することができる。すなわち、複数のリング共振器１ａ、１ｂ、１ｃの光パルス列を多重化することができる。 In this way, while amplification for a plurality of optical pulse trains is performed separately for each ring resonator 1a, 1b, 1c, the measurement results of the optical pulse trains for all the ring resonators 1a, 1b, and 1c are combined and calculated. , It is possible to impart a correlation to all the pulses in the plurality of ring resonators 1a, 1b, 1c. That is, the optical pulse trains of the plurality of ring resonators 1a, 1b, and 1c can be multiplexed.
本実施形態の構成では、演算に利用される光パルス列は複数のリング共振器に分散して存在するので、従来のものと比べて演算の規模を大型化することができる。したがって、本実施形態のイジングモデルの計算装置によれば、各リング共振器における従来の２値化ＯＰＯ多重化数の限界を超えた多重化を実現できる。 In the configuration of the present embodiment, since the optical pulse trains used for the calculation are dispersed in a plurality of ring resonators, the scale of the calculation can be increased as compared with the conventional one. Therefore, according to the Ising model computing device of the present embodiment, it is possible to realize multiplexing that exceeds the limit of the conventional binarized OPO multiplexing number in each ring resonator.
（第２の実施形態）
第２の実施形態のイジングモデルの計算装置は、基本構成においてはリング共振器内の光パルス列に対して毎周フィードバック処理を行なっていたところをＮ（Ｎは２以上の整数）周おきにフィードバック処理を行なうことにより低スペックな演算器を用いて多重化を図る構成である。
(Second Embodiment)
In the basic configuration, the Ising model computing device of the second embodiment feeds back every N (N is an integer of 2 or more) laps where the optical pulse train in the ring resonator is subjected to feedback processing every lap. It is a configuration that achieves multiplexing using a low-spec arithmetic unit by performing processing.
図５は、第２の実施形態のイジングモデルの計算装置の構成例を示す図である。本実施形態のイジングモデルの計算装置は、図５に示すように、図１に示すイジングモデルの計算装置とほぼ同様の構成とすることができるが、測定器３５と、演算器４５と、外部パルス入力部５５とにおける処理が異なる。 FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a calculation device of the Ising model of the second embodiment. As shown in FIG. 5, the Ising model calculation device of the present embodiment can have substantially the same configuration as the Ising model calculation device shown in FIG. 1, but the measuring device 35, the arithmetic unit 45, and the external device are used. The processing in the pulse input unit 55 is different.
本実施形態の測定器３５は、光パルス列がリング共振器１を１周する際に、光パルス列の全てのパルスを測定せず、特定のパルス（パルス群）のみを測定する。１回の測定では、所定のパルス群のみ測定し、次の測定ではまだ測定していないパルス群を測定していき、複数回の測定で光パルス列の全てのパルスが１回ずつ測定がなされるように順次測定を行なう。パルス群を構成するパルスは１個でも複数でもよく、また、複数の場合、連続したパルスでも、とびとびのパルスでもよい。 The measuring instrument 35 of the present embodiment does not measure all the pulses of the optical pulse train but measures only a specific pulse (pulse group) when the optical pulse train goes around the ring resonator 1. In one measurement, only a predetermined pulse group is measured, in the next measurement, a pulse group that has not been measured is measured, and in multiple measurements, all pulses of the optical pulse train are measured once. The measurement is performed sequentially as described above. The number of pulses constituting the pulse group may be one or a plurality, and in the case of a plurality of pulses, a continuous pulse or a discrete pulse may be used.
演算器４５は、測定器３５においてパルス群の測定結果が得られたら、逐次演算を開始する。演算器４５における演算は、測定結果に対して行列を乗算する演算なので、最初のパルス群の測定結果が得られてから演算を開始すると最後に測定されたパルス群の測定結果が得られたときには、最初のパルスに対応する演算についてはほとんど演算が終わっており、最後の測定結果が得られるとすぐに演算結果が得られることとなる。 The arithmetic unit 45 starts the sequential calculation when the measurement result of the pulse group is obtained in the measuring instrument 35. Since the operation in the arithmetic unit 45 is an operation of multiplying the measurement result by a matrix, when the operation is started after the measurement result of the first pulse group is obtained, when the measurement result of the last measured pulse group is obtained. , The calculation corresponding to the first pulse is almost completed, and the calculation result is obtained as soon as the final measurement result is obtained.
外部パルス入力部５５は、光パルス列がリング共振器１を１周する際に、光パルス列の全てのパルス群に対応する外部パルスを入力せず、特定のパルス群のみに対応するパルスを入力する。 When the optical pulse train goes around the ring resonator 1 once, the external pulse input unit 55 does not input the external pulse corresponding to all the pulse groups of the optical pulse train, but inputs the pulse corresponding to only a specific pulse group. ..
ＰＳＡ２における増幅は光パルス列の全てのパルスに対して毎回行なう。したがって、相互作用を与える外部パルスがそれぞれの光パルス列に１回入力される間に増幅は複数回行なわれることとなる。この際、複数回を増幅する際の光パルス列の成長はあまり問題とならないが、基本構成のＰＳＡ２に比べて入力するポンプ光のパワーを小さくすることにより増幅量を小さく設定することが好ましい。 Amplification in PSA2 is performed every time for all pulses of the optical pulse train. Therefore, amplification is performed a plurality of times while the interacting external pulse is input once to each optical pulse train. At this time, the growth of the optical pulse train when amplifying a plurality of times does not matter so much, but it is preferable to set the amplification amount small by reducing the power of the input pump light as compared with PSA2 having the basic configuration.
ここで、本実施形態のイジングモデルの計算装置の動作について表１を用いて説明する。この例では、測定部３５は、光パルス列を第１のパルス群、第２のパルス群、第３のパルス群の３つに分けて、リング共振器１を３周する間に光パルス列の全てのパルスについて１回ずつ測定を行なう場合を例に挙げて説明する。下記の表１は、本実施形態のイジングモデルの計算装置の各構成における動作タイミングを示している。 Here, the operation of the Ising model computing device of the present embodiment will be described with reference to Table 1. In this example, the measuring unit 35 divides the optical pulse train into three groups, a first pulse group, a second pulse group, and a third pulse group, and makes all of the optical pulse train while making three rounds of the ring resonator 1. The case where the pulse of the above is measured once at a time will be described as an example. Table 1 below shows the operation timing in each configuration of the Ising model computing device of the present embodiment.
表１に示すように、１周目では、測定部３５において第１のパルス群のみを測定し、演算器４５においても第１のパルス群のみの測定結果を用いて演算を開始する。この時点では演算結果は得られないので、外部パルス入力部５５におけるフィードバック入力は行なわれない。 As shown in Table 1, in the first lap, the measuring unit 35 measures only the first pulse group, and the arithmetic unit 45 also starts the calculation using the measurement result of only the first pulse group. Since the calculation result cannot be obtained at this point, the feedback input in the external pulse input unit 55 is not performed.
次に２周目では、測定部３５において第２のパルス群のみを測定し、演算器４５においては第１のパルス群に加えて第２のパルス群の測定結果のみを用いて演算が行なわれる。この時点でも演算結果は得られないので、外部パルス入力部５５におけるフィードバック入力は行なわれない。 Next, in the second lap, the measuring unit 35 measures only the second pulse group, and the arithmetic unit 45 performs the calculation using only the measurement results of the second pulse group in addition to the first pulse group. .. Since the calculation result cannot be obtained even at this point, the feedback input in the external pulse input unit 55 is not performed.
さらに３周目では、測定部３５において第３のパルス群のみを測定し、演算器４５においては第１のパルス群および第２のパルス群に加えて第３のパルス群の測定結果、すなわち全てのパルスの測定結果を用いて演算が行なわれる。この時点で順次演算結果が得られていく。したがって、この時点で外部パルス入力部５５におけるフィードバック入力が行なわれる。この際、演算器４５では、第１のパルス群、第２のパルス群、第３のパルス群は順次演算結果が得られるので、外部パルス入力部５５は、まず第１のパルス群のみの演算結果に応じた外部パルスをリング共振器１に入力する。 Further, in the third lap, the measuring unit 35 measures only the third pulse group, and the arithmetic unit 45 measures the measurement results of the third pulse group in addition to the first pulse group and the second pulse group, that is, all. The calculation is performed using the measurement result of the pulse of. At this point, the calculation results are sequentially obtained. Therefore, at this point, the feedback input in the external pulse input unit 55 is performed. At this time, in the arithmetic unit 45, the calculation results of the first pulse group, the second pulse group, and the third pulse group are sequentially obtained, so that the external pulse input unit 55 first calculates only the first pulse group. An external pulse corresponding to the result is input to the ring resonator 1.
４周目では、測定部３５および演算器４５では、１周目と同様に測定および演算を行なうが、外部パルス入力部５５では、第２のパルス群に対して外部パルスをフィードバック入力する。 In the fourth lap, the measurement unit 35 and the arithmetic unit 45 perform measurement and calculation in the same manner as in the first lap, but the external pulse input unit 55 feeds back an external pulse to the second pulse group.
このように光パルス列の全部のパルスについて測定完了する前に、測定した時点で測定したパルスについて逐次演算処理を開始する。すなわち、演算器４５は周回ごとに行列計算の途中まで行い、外部パルス入力部５５は、全測定が完了した時点で決定される演算結果を用いて変調した外部パルスをリング共振器１に入力する。 In this way, before the measurement is completed for all the pulses of the optical pulse train, the sequential calculation process is started for the pulses measured at the time of measurement. That is, the arithmetic unit 45 performs the matrix calculation halfway for each lap, and the external pulse input unit 55 inputs the external pulse modulated using the calculation result determined when all the measurements are completed to the ring resonator 1. ..
本実施形態のイジングモデルの計算装置によれば、１回のフィードバックに要する演算時間を、光パルス列の全てのパスルに対する測定が完了するまでに光パルス列がリング共振器を周回する時間とすることができる。これにより演算器の演算時間を増やすことができる。したがって、低スペックな演算器により複数周の光パルス列の測定結果を多重化することができる。 According to the Ising model computing device of the present embodiment, the calculation time required for one feedback is set to the time required for the optical pulse train to orbit the ring resonator until the measurement for all the pulses of the optical pulse train is completed. it can. As a result, the calculation time of the arithmetic unit can be increased. Therefore, it is possible to multiplex the measurement result of the optical pulse train of a plurality of circumferences by a low-spec arithmetic unit.
（第３の実施形態）
第３の実施形態のイジングモデルの計算装置は、基本構成においてはリング共振器内において同じ方向で光パルス列を周回させていたところを、リング共振器内において右回りの光パルス列および左回りの光パルス列の双方を発生させて、これらの２つの光パルス列を測定した結果を合わせて１つの演算器で演算することにより多重化を図る構成である。
(Third Embodiment)
In the basic configuration, the computing device of the Zing model of the third embodiment circulates the optical pulse train in the same direction in the ring resonator, but in the ring resonator, the clockwise optical pulse train and the counterclockwise light Both of the pulse trains are generated, and the measurement results of these two optical pulse trains are combined and calculated by one arithmetic unit to achieve multiplexing.
図６は、第３の実施形態のイジングモデルの計算装置の構成例を示す図である。本実施形態のイジングモデルの計算装置は、図６に示すように、１つのリング共振器１に対して、２つの測定部３６、３７と外部パルス入力部５６、５７とが設けられており、１つの演算器４６が２つの入力と２つの出力を有しており、これらの入出力と接続されている。 FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a calculation device of the Ising model of the third embodiment. As shown in FIG. 6, the Ising model computing device of the present embodiment is provided with two measuring units 36 and 37 and external pulse input units 56 and 57 for one ring resonator 1. One arithmetic unit 46 has two inputs and two outputs, and is connected to these inputs and outputs.
本実施形態のＰＳＡ２２では、互いに逆向きとなる光パルス列が発生、増幅される。ＰＳＡ２２には逆向きの２つのポンプ光が注入されることにより、出力される光パルス列は互いに逆向きとなる。したがって、リング共振器１内には伝搬方向の異なる２つの光パルス列が存在することになる。ＰＳＡ２２はそれぞれ逆向きの光パルス列に作用する２つのＰＰＬＮで構成されてもよいし、１つのＰＰＬＮで構成されてもよい。 In the PSA 22 of the present embodiment, optical pulse trains in opposite directions are generated and amplified. By injecting two pump lights in opposite directions into the PSA 22, the output light pulse trains are in opposite directions. Therefore, there are two optical pulse trains having different propagation directions in the ring resonator 1. The PSA 22 may be composed of two PPLNs acting on light pulse trains in opposite directions, or may be composed of one PPLN.
第１の測定部３６は、右に周回する光パルス列を測定し、第２の測定部３７は左に周回する光パルス列を測定する。 The first measuring unit 36 measures the optical pulse train rotating to the right, and the second measuring unit 37 measures the light pulse train rotating to the left.
演算器４６は、２つの入力と２つの出力を有し、これら２つの測定部３６、３７における測定結果ＭＲ，ＭＬから１つの列ベクトルを生成して、生成した列ベクトルに対応する大きさを有する行列を乗算することにより演算を行なう。演算器４６は、第１の測定部３６における測定結果がｃ1、ｃ2、ｃ3であり、第２の測定部３７における測定結果がｃ4、ｃ5、ｃ6であるとすると、次式（６）の演算により演算結果ｆ1、ｆ2、ｆ3、ｆ4、ｆ5、ｆ6を得る。なお、サイト数Ｎを用いて式（６）を一般化すると、式（３）の行列を用いることができる。 The arithmetic unit 46 has two inputs and two outputs, generates one column vector from the measurement results MR and ML of these two measuring units 36 and 37, and determines the magnitude corresponding to the generated column vector. The operation is performed by multiplying the matrix to be possessed. Assuming that the measurement results of the first measuring unit 36 are c 1 , c 2 , and c 3 , and the measurement results of the second measuring unit 37 are c 4 , c 5 , and c 6 , the arithmetic unit 46 is as follows. The calculation results f 1 , f 2 , f 3 , f 4 , f 5 , and f 6 are obtained by the calculation of equation (6). If the equation (6) is generalized using the number of sites N, the matrix of the equation (3) can be used.
第１の外部パルス入力部５６は、演算結果のうち、ｆ1、ｆ2、ｆ3を用いて、外部パルスの大きさを制御し、右に周回する光パルス列に対してフィードバック入力を行ない、第２の外部パルス入力部５７は、演算結果のうち、ｆ4、ｆ5、ｆ6を用いて、外部パルスの大きさを制御し、左に周回する光パルス列に対してフィードバック入力を行なう。 The first external pulse input unit 56 controls the magnitude of the external pulse using f 1 , f 2 , and f 3 of the calculation results, and performs feedback input to the optical pulse train rotating to the right. The second external pulse input unit 57 controls the magnitude of the external pulse using f 4 , f 5 , and f 6 of the calculation results, and performs feedback input to the optical pulse train orbiting to the left.
本実施形態のイジングモデルの計算装置によれば、１つのリング共振器で増幅可能なパルスの数を倍増することができるので、１つのリング共振器における従来の２値化ＯＰＯ多重化数の限界を超えた多重化を実現できる。 According to the computing device of the Zing model of the present embodiment, the number of pulses that can be amplified by one ring resonator can be doubled, so that the limit of the number of conventional binarized OPO multiplexing in one ring resonator is limited. It is possible to realize multiplexing beyond.
（第４の実施形態）
第４の実施形態のイジングモデルの計算装置は、基本構成においては単一の波長を有するポンプ光を用いて光パルス列を発生させていたところを、互いに波長の異なる複数のポンプ光をリング共振器に入射してそれぞれをまとめて１つの演算器で演算することにより、多重化を図る構成である。
(Fourth Embodiment)
In the basic configuration, the Ising model computing device of the fourth embodiment uses pump light having a single wavelength to generate an optical pulse train, but a ring resonator uses a plurality of pump lights having different wavelengths from each other. It is a configuration that achieves multiplexing by incident on the light and calculating each of them with one arithmetic unit.
図７は、第４の実施形態のイジングモデルの計算装置の構成例を示す図である。この例では、多重化数が３である場合を例に挙げて説明する。本実施形態のイジングモデルの計算装置は、図７に示すように、測定部３８ａ、３９ｂ、３８ｃおよび外部パルス入力部５８ａ、５８ｂ、５８ｃは多重化数すなわちポンプ光の波長数に対応して３つずつ設けられており、これらの測定部３８ａ、３９ｂ、３８ｃと外部パルス入力部５８ａ、５８ｂ、５８ｃはそれぞれ分波器６と合波器７を介してリング共振器１に接続されている。 FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a computing device of the Ising model of the fourth embodiment. In this example, the case where the number of multiplexings is 3 will be described as an example. In the calculation device of the Zing model of the present embodiment, as shown in FIG. 7, the measuring units 38a, 39b, 38c and the external pulse input units 58a, 58b, 58c correspond to the number of multiplexings, that is, the number of wavelengths of the pump light. These measuring units 38a, 39b, 38c and the external pulse input units 58a, 58b, 58c are connected to the ring resonator 1 via the demultiplexer 6 and the duplexer 7, respectively.
ＰＳＡ２３には異なる波長のポンプ光が入力され、異なる波長の光パルス列を発生・増幅する。ＰＳＡ２３は増幅する波長ごとの複数のＰＳＡ２３を用いることができる。異なる波長の光パルス列としては例えば１．５μｍ、１．５１μｍ、１．５２μｍを用いることができる。この場合、用いられるポンプ光は、０．７５μｍ、０．７５５μｍ、０．７６μｍである。 Pump light of different wavelengths is input to the PSA23 to generate and amplify light pulse trains of different wavelengths. As the PSA23, a plurality of PSA23s for each wavelength to be amplified can be used. As the optical pulse trains having different wavelengths, for example, 1.5 μm, 1.51 μm, and 1.52 μm can be used. In this case, the pump light used is 0.75 μm, 0.755 μm, 0.76 μm.
分波器６は波長ごとに光パルス列を分波して、３つの測定部３８ａ、３９ｂ、３８ｃにそれぞれ入力する。第１の測定部３８ａは第１のパルス群について測定を行い、第１の測定部３９ｂは第２のパルス群について測定を行い、第３の測定部３８ｃは第３のパルス群について測定を行なう。 The demultiplexer 6 demultiplexes the optical pulse train for each wavelength and inputs it to the three measuring units 38a, 39b, and 38c, respectively. The first measuring unit 38a measures the first pulse group, the first measuring unit 39b measures the second pulse group, and the third measuring unit 38c measures the third pulse group. ..
演算器４７は、光パルス列の波長の種類に対応した数の入出力を有し、複数のパルス群の測定結果をまとめて１つの列ベクトルを生成し、演算を行なう。演算器４７は、第１の測定部３８ａにおける測定結果がｃ1、ｃ2であり、第２の測定部３８ｂにおける測定結果がｃ3、ｃ4であり、第３の測定部３８ｃにおける測定結果がｃ5、ｃ6であるとすると、次式（７）の演算により演算結果ｆ1、ｆ2、ｆ3、ｆ4、ｆ5、ｆ6を得る。なお、サイト数Ｎを用いて式（７）を一般化すると、式（３）の行列を用いることができる。 The arithmetic unit 47 has a number of inputs and outputs corresponding to the types of wavelengths of the optical pulse trains, collects the measurement results of the plurality of pulse groups to generate one column vector, and performs the calculation. In the arithmetic unit 47, the measurement results in the first measurement unit 38a are c 1 and c 2 , the measurement results in the second measurement unit 38 b are c 3 and c 4 , and the measurement results in the third measurement unit 38 c. Assuming that is c 5 and c 6 , the calculation results f 1 , f 2 , f 3 , f 4 , f 5 , and f 6 are obtained by the calculation of the following equation (7). If the equation (7) is generalized using the number of sites N, the matrix of the equation (3) can be used.
第１の外部パルス入力部５８ａは、演算結果のうち、ｆ1、ｆ2を用いて、外部パルスの大きさを制御し、第１のパルス群に対応するフィードバック用の光パルス列を生成し、第２の外部パルス入力部５８ｂは、演算結果のうち、ｆ3、ｆ4を用いて、外部パルスの大きさを制御し、第２のパルス群に対応するフィードバック用の光パルス列を生成し、第３の外部パルス入力部５８ｃは、演算結果のうち、ｆ5、ｆ6を用いて、外部パルスの大きさを制御し、第３のパルス群に対応するフィードバック用の光パルス列を生成する。 The first external pulse input unit 58a controls the magnitude of the external pulse by using f 1 and f 2 of the calculation results, and generates an optical pulse train for feedback corresponding to the first pulse group. The second external pulse input unit 58b uses f 3 and f 4 of the calculation results to control the magnitude of the external pulse and generate an optical pulse train for feedback corresponding to the second pulse group. The third external pulse input unit 58c uses f 5 and f 6 of the calculation results to control the magnitude of the external pulse and generate an optical pulse train for feedback corresponding to the third pulse group.
合波器７は、これらの３つの外部パルス入力部５８ａ、５８ｂ、５８ｃで生成された光パルス列を合波してリング共振器１にフィードバック入力する。 The combiner 7 combines the optical pulse trains generated by these three external pulse input units 58a, 58b, and 58c and feeds them back to the ring resonator 1.
本実施形態のイジングモデルの計算装置によれば、１つのリング共振器で増幅可能なパルスの数をポンプ光波長の異なる数だけ倍増することができるので、本実施形態のイジングモデルの計算装置によれば、１つのリング共振器における従来の２値化ＯＰＯ多重化数の限界を超えた多重化を実現できる。 According to the calculation device of the Rising model of the present embodiment, the number of pulses that can be amplified by one ring resonator can be doubled by the number of different pump light wavelengths. According to this, it is possible to realize multiplexing exceeding the limit of the conventional binarized OPO multiplexing number in one ring resonator.
以上の実施形態において説明したイジングモデルの計算装置は、ＰＳＡとして２次の非線形光学効果を発現するＰＰＬＮなどの非線形光学結晶によって構成される場合を例に挙げて説明したが、３次の非線形光学効果を発現する構成でもよい。３次の非線形光学効果による場合は、ＰＳＡに対して同一波長の２つのポンプ光を入力する必要がある。 The calculation device of the Ising model described in the above embodiment has been described by taking as an example the case where the PSA is composed of a nonlinear optical crystal such as PPLN that exhibits a second-order nonlinear optical effect, but the third-order nonlinear optics. It may be a configuration that exerts an effect. In the case of the third-order nonlinear optical effect, it is necessary to input two pump lights of the same wavelength to the PSA.
１ リング共振器
２ ＰＳＡ（位相感応増幅器）
３ 測定部
４ 演算器
５ 外部パルス入力部
３０ バランスドホモダイン検波器
３１ ハーフミラー
３２ 第１の光検出器
３３ 第２の光検出器
３４ 差分演算部
1 Ring resonator 2 PSA (Phase sensitive amplifier)
3 Measuring unit 4 Computing unit 5 External pulse input unit 30 Balanced homodyne detector 31 Half mirror 32 First photodetector 33 Second photodetector 34 Difference calculation unit
Claims (4)
前記複数の光パルスを周回伝搬させるリング共振器と、
前記複数の光パルスが前記リング共振器を周回伝搬するたびに、前記複数の光パルスの位相および振幅を測定する、光パルス測定部と、
ある光パルスに対して光パルスの振幅および位相を制御して重ね合せることにより、前記イジングモデルの結合係数と前記光パルス測定部において測定した光パルスの位相および振幅とに基づいて決定される前記ある光パルスに関わる相互作用を実装する相互作用実装部と、を有する光パルス共振装置を複数備え、
複数の前記光パルス共振装置の前記光パルス測定部において測定した光パルスの位相および振幅の情報を入力として、前記イジングモデルの結合係数と前記複数の前記光パルス共振装置において測定した光パルスとから決定される、前記ある光パルスに関わる相互作用を計算して、前記複数の前記光パルス共振装置の前記相互作用実装部に出力する、相互作用計算部をさらに備え、
前記相互作用計算部は、測定したＮ個の光パルスの位相および振幅がｃ 1 、ｃ 2 、ｃ 3 、ｃ 4 、・・・ｃ N-1 、ｃ N を要素とする列ベクトルに対し、イジングモデルの結合係数を演算パラメータとする以下に示す行列を乗算して、得られた列ベクトルの要素ｆ 1 、ｆ 2 、ｆ 3 、ｆ 4 、・・・ｆ N-1 、ｆ N を前記Ｎ個の光パルスに対応するＮ個のある光パルスに関わる相互作用として出力し、
A ring resonator that orbits the plurality of optical pulses and
An optical pulse measuring unit that measures the phase and amplitude of the plurality of optical pulses each time the plurality of optical pulses propagate around the ring resonator.
By controlling and superimposing the amplitude and amplitude of the optical pulse on a certain optical pulse, the coupling coefficient of the rising model and the phase and amplitude of the optical pulse measured by the optical pulse measuring unit are determined. A plurality of optical pulse resonance devices having an interaction mounting unit for mounting an interaction related to a certain optical pulse are provided.
Using the information on the phase and amplitude of the optical pulse measured by the optical pulse measuring unit of the plurality of optical pulse resonance devices as input, the coupling coefficient of the rising model and the optical pulse measured by the plurality of optical pulse resonance devices are used. The interaction calculation unit further includes an interaction calculation unit that calculates the determined interaction related to the optical pulse and outputs the interaction to the interaction mounting unit of the plurality of optical pulse resonance devices.
The interaction calculation unit refers to a column vector whose elements are c 1 , c 2 , c 3 , c 4 , ..., C N-1 , and c N , whose phases and amplitudes of the measured N optical pulses are c 1 , c 2 , c 3 , c 4 , ... The elements f 1 , f 2 , f 3 , f 4 , ... f N-1 , f N of the obtained column vector are obtained by multiplying the matrix shown below with the coupling coefficient of the Zing model as the calculation parameter. Output as an interaction related to N optical pulses corresponding to N optical pulses,
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