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JP6260896B2 - Ising model quantum computing device - Google Patents

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JP6260896B2
JP6260896B2 JP2013253850A JP2013253850A JP6260896B2 JP 6260896 B2 JP6260896 B2 JP 6260896B2 JP 2013253850 A JP2013253850 A JP 2013253850A JP 2013253850 A JP2013253850 A JP 2013253850A JP 6260896 B2 JP6260896 B2 JP 6260896B2
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Description

本発明は、イジングモデルを容易に解くことにより、イジングモデルにマッピングされるNP完全問題などを容易に解くことができる量子計算装置を提供する。   The present invention provides a quantum computing device that can easily solve an NP complete problem and the like mapped to an Ising model by easily solving the Ising model.

イジングモデルは、元来は磁性材料のモデルとして研究されてきたが、最近はNP完全問題などからマッピングされるモデルとして注目されている。しかし、イジングモデルは、サイト数が大きいときには、解くことが非常に困難になる。そこで、イジングモデルを実装する量子アニールマシンや量子断熱マシンが提案されている。   The Ising model has been originally studied as a model of a magnetic material, but has recently attracted attention as a model mapped from the NP complete problem. However, it is very difficult to solve the Ising model when the number of sites is large. Therefore, quantum annealing machines and quantum adiabatic machines that implement the Ising model have been proposed.

量子アニールマシンでは、イジング相互作用及びゼーマンエネルギーを物理的に実装してから、系を十分に冷却して基底状態を実現して、基底状態を観測することにより、イジングモデルを解いている。しかし、サイト数が大きいときには、系が冷却の過程で準安定状態にトラップされ、また準安定状態の数はサイト数に対して指数関数的に増大するため、系が準安定状態から基底状態になかなか緩和されないという問題があった。   The quantum annealing machine solves the Ising model by physically implementing the Ising interaction and Zeeman energy, then cooling the system sufficiently to realize the ground state and observing the ground state. However, when the number of sites is large, the system is trapped in a metastable state in the course of cooling, and the number of metastable states increases exponentially with the number of sites, so the system goes from the metastable state to the ground state. There was a problem that it was difficult to alleviate.

量子断熱マシンでは、横磁場ゼーマンエネルギーを物理的に実装してから、系を十分に冷却して横磁場ゼーマンエネルギーのみの基底状態を実現する。そして、横磁場ゼーマンエネルギーを徐々に下げ、またイジング相互作用を徐々に物理的に実装していき、イジング相互作用及び縦磁場ゼーマンエネルギーを含む系の基底状態を実現して、その基底状態を観測することにより、イジングモデルを解いている。しかし、サイトの数が大きいときには、横磁場ゼーマンエネルギーを徐々に下げ、またイジング相互作用を徐々に物理的に実装する速度はサイト数に対して指数関数的に遅くする必要があるという問題があった。   In the quantum adiabatic machine, the transverse magnetic field Zeeman energy is physically implemented, and then the system is sufficiently cooled to realize a ground state of only the transverse magnetic field Zeeman energy. Then, gradually reduce the transverse magnetic field Zeeman energy and gradually implement the Ising interaction physically, realize the ground state of the system including the Ising interaction and the longitudinal magnetic field Zeeman energy, and observe the ground state By doing so, the Ising model is solved. However, when the number of sites is large, there is a problem that the transverse magnetic field Zeeman energy must be gradually decreased and the speed at which the Ising interaction is gradually physically implemented must be exponentially slowed with respect to the number of sites. It was.

NP完全問題などをイジングモデルにマッピングし、そのイジングモデルを物理的なスピン系で実装するときには、物理的に近くに位置するサイト間のイジング相互作用は大きく、物理的に遠くに位置するサイト間のイジング相互作用は小さいという自然法則が問題となる。NP完全問題をマッピングした人工的なイジングモデルでは、物理的に近くに位置するサイト間のイジング相互作用が小さいことがあり、物理的に遠くに位置するサイト間のイジング相互作用が大きいことがありえるからである。この自然なスピン系へのマッピングの難しさも、NP完全問題などを容易に解くことを困難にしていた。   When mapping an NP complete problem etc. to an Ising model and implementing the Ising model with a physical spin system, the Ising interaction between physically close sites is large, and between physically distant sites The natural law that the Ising interaction is small is a problem. In an artificial Ising model that maps the NP-complete problem, the Ising interaction between physically close sites may be small, and the Ising interaction between physically remote sites may be large. Because. The difficulty of mapping to this natural spin system also makes it difficult to easily solve the NP complete problem and the like.

国際公開第2012/118064号International Publication No. 2012/118064

上記の問題を解決するための第1の従来技術(特許文献1を参照)及び第2の従来技術について説明する。NP完全問題は、磁性体のイジングモデルに置き換え可能であり、磁性体のイジングモデルは、レーザーのネットワークに置き換え可能である。   A first conventional technique (see Patent Document 1) and a second conventional technique for solving the above problem will be described. The NP complete problem can be replaced with a magnetic Ising model, and the magnetic Ising model can be replaced with a network of lasers.

ここで、磁性体のイジングモデルでは、相互作用する原子ペアにおいて、スピン配列のエネルギーが最低となるように、スピンの方向は、逆方向(反強磁性の相互作用の場合)又は同方向(強磁性の相互作用の場合)を指向しようとする。   Here, in the Ising model of the magnetic material, the spin direction is reversed (in the case of antiferromagnetic interaction) or in the same direction (strong) so that the energy of the spin arrangement is minimized in the interacting atom pair. Try to point in the case of magnetic interaction).

一方で、レーザーのネットワークでは、相互作用するレーザーペアにおいて、発振モードの閥値利得が最低となるように、発振の偏光(第1の従来技術の場合)若しくは位相(第2の従来技術の場合)は、逆回転若しくは逆位相(反強磁性の相互作用の場合)又は同回転若しくは同位相(強磁性の相互作用の場合)を指向しようとする。   On the other hand, in the laser network, oscillation polarization (in the case of the first prior art) or phase (in the case of the second prior art) so that the threshold gain of the oscillation mode is minimized in the interacting laser pair. ) Tries to point in the reverse rotation or phase (for antiferromagnetic interactions) or the same rotation or phase (for ferromagnetic interactions).

つまり、1つのレーザーペアからなるシステムでは、発振モードの閥値利得が最低となるように、発振の偏光又は位相を最適化することができる。そして、多くのレーザーペアからなるシステムでは、「ある」レーザーペアで発振の偏光又は位相を最適化しようとすれば、「他の」レーザーペアで発振の偏光又は位相を最適化できないところ、レーザーのネットワークの「全体」として発振の偏光又は位相の「妥協点」を探索することになる。   That is, in a system consisting of one laser pair, the polarization or phase of oscillation can be optimized so that the threshold gain of the oscillation mode is minimized. And in a system with many laser pairs, if you try to optimize the polarization or phase of oscillation in one “laser” pair, you cannot optimize the polarization or phase of oscillation in “other” laser pairs. The “total” of the network will be searched for a “compromise point” of polarization or phase of oscillation.

ただし、レーザーのネットワーク全体で発振の偏光又は位相を最適化するときには、各々のレーザーペアで別個の発振モードを立ち上げるのではなく、レーザーのネットワーク全体で1つの発振モードを立ち上げるように、各レーザー間で同期を図る必要がある。   However, when optimizing the polarization or phase of oscillation across the entire network of lasers, instead of launching a separate oscillation mode for each laser pair, each oscillation mode is launched so that one oscillation mode is launched across the entire network of lasers. It is necessary to synchronize between the lasers.

このように、第1の従来技術及び第2の従来技術では、各レーザーでポンピング電流を漸増制御し、レーザーのネットワーク全体で閾値利得が最低となる1つの発振モードを立ち上げ、各レーザーの発振の偏光又は位相を測定し、各原子のスピンの方向を測定する。よって、量子アニールマシンにおける準安定状態へのトラップの問題及び量子断熱マシンにおけるイジング相互作用の実装速度の問題を解決することができる。   As described above, in the first and second prior arts, the pumping current is gradually increased and controlled by each laser, and one oscillation mode in which the threshold gain is the lowest in the entire laser network is started. The polarization or phase is measured, and the spin direction of each atom is measured. Therefore, the problem of trapping in the metastable state in the quantum annealing machine and the mounting speed problem of the Ising interaction in the quantum adiabatic machine can be solved.

そして、第1の従来技術及び第2の従来技術では、図1及び図2を用いてそれぞれ後述するように、物理的に近くに位置するサイト間のイジング相互作用の大きさのみならず、物理的に遠くに位置するサイト間のイジング相互作用の大きさも自由に制御することができる。よって、サイト間の物理的距離とは無関係に、NP完全問題などからマッピングされた人工的なイジングモデルを解くことができる。   In the first prior art and the second prior art, as described later with reference to FIGS. 1 and 2, not only the magnitude of Ising interaction between physically close sites but also physical The size of the Ising interaction between sites located far away can be freely controlled. Therefore, an artificial Ising model mapped from the NP complete problem or the like can be solved regardless of the physical distance between the sites.

第1の従来技術のイジングモデルの量子計算装置の概要を図1に示す。第2の従来技術のイジングモデルの量子計算装置の概要を図2に示す。   FIG. 1 shows an outline of the quantum computing device of the Ising model of the first prior art. An outline of the Ising model quantum computing device of the second prior art is shown in FIG.

イジングハミルトニアンを数式1のようにする。

Figure 0006260896
Let the Ising Hamiltonian be
Figure 0006260896

イジング相互作用実装部I12は、2つの面発光レーザーV1、V2の間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、2つの面発光レーザーV1、V2の間の擬似的なイジング相互作用J12の大きさ及び符号を実装する。 The Ising interaction mounting unit I12 controls the amplitude and phase of light exchanged between the two surface emitting lasers V1 and V2, thereby simulating the pseudo Ising interaction between the two surface emitting lasers V1 and V2. implementing the magnitude and sign of J 12.

イジング相互作用実装部I13は、2つの面発光レーザーV1、V3の間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、2つの面発光レーザーV1、V3の間の擬似的なイジング相互作用J13の大きさ及び符号を実装する。 The Ising interaction mounting unit I13 controls the amplitude and phase of light exchanged between the two surface emitting lasers V1 and V3, thereby simulating the pseudo Ising interaction between the two surface emitting lasers V1 and V3. implementing the magnitude and sign of J 13.

イジング相互作用実装部I23は、2つの面発光レーザーV2、V3の間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、2つの面発光レーザーV2、V3の間の擬似的なイジング相互作用J23の大きさ及び符号を実装する。 The Ising interaction mounting unit I23 controls the amplitude and phase of light exchanged between the two surface emitting lasers V2 and V3, thereby simulating the pseudo Ising interaction between the two surface emitting lasers V2 and V3. implementing the magnitude and sign of J 23.

マスターレーザーMは、面発光レーザーV1、V2、V3に対して注入同期を行ない、面発光レーザーV1、V2、V3の発振周波数を同一周波数に揃える。面発光レーザーV1、V2、V3の間で同期を図ることにより、面発光レーザーV1、V2、V3のネットワーク全体で発振の偏光又は位相を最適化するにあたり、面発光レーザーV1、V2、V3のネットワーク全体で1つの発振モードを立ち上げることができる。   The master laser M performs injection locking with respect to the surface emitting lasers V1, V2, and V3, and aligns the oscillation frequencies of the surface emitting lasers V1, V2, and V3 to the same frequency. By optimizing the polarization or phase of oscillation in the entire network of surface emitting lasers V1, V2, and V3 by synchronizing the surface emitting lasers V1, V2, and V3, a network of surface emitting lasers V1, V2, and V3 is used. One oscillation mode can be started up in total.

第1の従来技術では、不図示のイジングスピン測定部は、面発光レーザーV1、V2、V3が光を交換する過程で定常状態に到達した後に、面発光レーザーV1、V2、V3の発振の円偏光の左回り/右回りを測定することにより、面発光レーザーV1、V2、V3の擬似的なイジングスピンσ、σ、σの上向き/下向きを測定する。 In the first prior art, the Ising spin measurement unit (not shown) has reached the steady state in the process in which the surface emitting lasers V1, V2, and V3 exchange light, and then the oscillation circles of the surface emitting lasers V1, V2, and V3. By measuring the counterclockwise / clockwise polarization, the upward / downward pseudo Ising spins σ 1 , σ 2 , σ 3 of the surface emitting lasers V 1, V 2, V 3 are measured.

しかし、面発光レーザーVは、面内異方性を有するため、左回り/右回りの円偏光のいずれについても、同一周波数及び同一閾値利得で発振することは困難である。よって、ある面発光レーザーVが、単体のレーザーとしては、右回り(又は左回り)の円偏光を有する光を発振するよりも、左回り(又は右回り)の円偏光を有する光を発振しやすいことがあり得る。そして、その面発光レーザーVは、レーザーのネットワーク全体としては、右回り(又は左回り)の円偏光を有する光を発振することが正答であるところ、左回り(又は右回り)の円偏光を有する光を発振してしまう誤答を生じさせ得る。   However, since the surface-emitting laser V has in-plane anisotropy, it is difficult to oscillate at the same frequency and the same threshold gain for both counterclockwise / clockwise circularly polarized light. Therefore, a certain surface emitting laser V oscillates light having a counterclockwise (or clockwise) circularly polarized light as a single laser rather than oscillating light having a clockwise (or counterclockwise) circularly polarized light. It can be easy. Then, the surface emitting laser V oscillates light having clockwise (or counterclockwise) circularly polarized light as a whole for the entire laser network, but the counterclockwise (or clockwise) circularly polarized light is obtained. It may cause a wrong answer to oscillate the light it has.

第2の従来技術では、不図示のイジングスピン測定部は、面発光レーザーV1、V2、V3が光を交換する過程で定常状態に到達した後に、面発光レーザーV1、V2、V3の発振の直線偏光の位相の進み/遅れを測定することにより、面発光レーザーV1、V2、V3の擬似的なイジングスピンσ、σ、σの上向き/下向きを測定する。 In the second prior art, the Ising spin measuring unit (not shown) has a straight line of oscillation of the surface emitting lasers V1, V2, and V3 after the surface emitting lasers V1, V2, and V3 reach a steady state in the process of exchanging light. By measuring the advance / lag of the polarization phase, the upward / downward direction of the pseudo Ising spins σ 1 , σ 2 , σ 3 of the surface emitting lasers V 1, V 2, V 3 is measured.

ここで、左回り/右回りの円偏光は、水平偏光及び垂直偏光を位相差±π/2で同一の重みで重ね合わせたものである。つまり、イジングスピンの上向き/下向きの情報は、円偏光の左回り/右回りを測定するまでもなく、水平偏光を測定するまでもなく、垂直偏光の位相の進み/遅れを測定することにより、得ることができるのである。よって、第1の従来技術における面発光レーザーVの面内異方性の問題を解決することができる。   Here, counterclockwise / clockwise circularly polarized light is obtained by superposing horizontally polarized light and vertically polarized light with the same weight with a phase difference of ± π / 2. In other words, the upward / downward information of the Ising spin can be obtained by measuring the phase advance / lag of the vertical polarization without measuring the left / right rotation of the circular polarization and without measuring the horizontal polarization. You can get it. Therefore, the problem of in-plane anisotropy of the surface emitting laser V in the first prior art can be solved.

第2の従来技術のイジングモデルの量子計算装置の原理を図3に示す。マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0は、初期状態から定常状態まで変化しない。各面発光レーザーVの直線偏光の発振位相φ(t)は、初期状態においては、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0と同一の0であることが理想であり、定常状態においては、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0からずれた±π/2である。定常状態におけるφ(定常)=±π/2は、σ=±1に対応する(複号同順)。 The principle of the Ising model quantum computing device of the second prior art is shown in FIG. The oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M does not change from the initial state to the steady state. The oscillation phase φ V (t) of the linearly polarized light of each surface emitting laser V is ideally 0 in the initial state, which is the same as the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M, and in the steady state, ± π / 2 deviated from the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M. Φ V (steady state) = ± π / 2 in the steady state corresponds to σ = ± 1 (in the same order as the compound codes).

面発光レーザーVの各ペアについて、イジング相互作用Jijが正であるときには、2つの面発光レーザーVの擬似的なスピンσが異符号であることが、エネルギー的に有利である。よって、各イジング相互作用実装部は、2つの面発光レーザーVの発振位相φ(定常)が異符号でありずれをπとするような、発振モードが立ち上がりやすいようにする。 For each pair of surface emitting lasers V, when the Ising interaction J ij is positive, it is energetically advantageous that the pseudo spins σ of the two surface emitting lasers V have different signs. Therefore, each Ising interaction mounting unit makes it easy to start an oscillation mode in which the oscillation phases φ V (stationary) of the two surface emitting lasers V have different signs and the shift is π.

面発光レーザーVの各ペアについて、イジング相互作用Jijが負であるときには、2つの面発光レーザーVの擬似的なスピンσが同符号であることが、エネルギー的に有利である。よって、各イジング相互作用実装部は、2つの面発光レーザーVの発振位相φ(定常)が同符号でありずれを0とするような、発振モードが立ち上がりやすいようにする。 For each pair of surface emitting lasers V, when the Ising interaction J ij is negative, it is advantageous in terms of energy that the pseudo spins σ of the two surface emitting lasers V have the same sign. Therefore, each Ising interaction mounting unit makes it easy to start an oscillation mode in which the oscillation phases φ V (stationary) of the two surface emitting lasers V have the same sign and the deviation is zero.

もっとも、イジングモデルの量子計算装置の全体において、一体として1つの発振モードが立ち上がるようにするのであり、面発光レーザーVの各ペアにおいて、上述の発振モードが実際に立ち上がることもあれば、必ずしも立ち上がらないこともある。   However, in the whole Ising model quantum computing device, one oscillation mode is started up as a whole, and in each pair of surface-emitting lasers V, the above-described oscillation mode may actually start up, but it does not necessarily start up. Sometimes not.

ところで、各面発光レーザーVの直線偏光の発振位相φ(t)は、初期状態においては、理想ではマスターレーザーMの直線偏光の発振位相0と同一の0であることが望ましいが、実際にはマスターレーザーMの直線偏光の発振位相0から若干ずれてしまう。 By the way, it is desirable that the oscillation phase φ V (t) of the linearly polarized light of each surface emitting laser V is ideally the same 0 as the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M in the initial state. Is slightly shifted from the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M.

各面発光レーザーVの直線偏光の初期状態の発振位相φ(t=0)は、各面発光レーザーVの自走周波数ω、マスターレーザーMの発振周波数ω及び注入同期幅Δω(ωがωにどの程度近ければ注入同期を図れるか)を用いて、数式2のように表わされる。

Figure 0006260896
The oscillation phase φ V (t = 0) in the initial state of the linearly polarized light of each surface emitting laser V includes the free-running frequency ω of each surface emitting laser V, the oscillation frequency ω 0 of the master laser M, and the injection locking width Δω L (ω (How close can ω 0 be to injection locking)?
Figure 0006260896

つまり、各面発光レーザーVの自走周波数ωを、マスターレーザーMの発振周波数ωに揃えることができるならば、各面発光レーザーVの直線偏光の初期状態の発振位相φ(t=0)は、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0と同一の0となる。しかし、各面発光レーザーVの自走周波数ωを、マスターレーザーMの発振周波数ωに揃えることが困難であるため、各面発光レーザーVの直線偏光の初期状態の発振位相φ(t=0)は、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0から若干ずれてしまう。 That is, if the free-running frequency ω of each surface-emitting laser V can be matched with the oscillation frequency ω 0 of the master laser M, the oscillation phase φ V (t = 0) in the initial state of the linearly polarized light of each surface-emitting laser V ) Becomes 0 which is the same as the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M. However, since it is difficult to align the free-running frequency ω of each surface emitting laser V with the oscillation frequency ω 0 of the master laser M, the oscillation phase φ V (t = 0) slightly deviates from the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M.

よって、ある面発光レーザーVが、単体のレーザーとしては、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0より遅れた(又は進んだ)発振位相を有する光を発振するよりも、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0より進んだ(又は遅れた)発振位相を有する光を発振しやすいことがあり得る。そして、その面発光レーザーVは、レーザーのネットワーク全体としては、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0より遅れた(又は進んだ)発振位相を有する光を発振することが正答であるところ、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0より進んだ(又は遅れた)発振位相を有する光を発振してしまう誤答を生じさせ得る。   Therefore, a certain surface-emitting laser V as a single laser oscillates light having an oscillation phase delayed (or advanced) from the oscillation phase 0 of the linear polarization of the master laser M rather than the linear polarization of the master laser M. It may be easy to oscillate light having an oscillation phase that is advanced (or delayed) from the oscillation phase 0. The surface emitting laser V, as the whole laser network, oscillates light having an oscillation phase delayed (or advanced) from the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M. An erroneous answer may be generated that oscillates light having an oscillation phase that is advanced (or delayed) from the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the laser M.

また、各面発光レーザーVの直線偏光の定常状態の発振位相φ(定常)は、マスターレーザーMの直線偏光の発振位相0を基準として、ホモダイン検波を用いて測定される。しかし、各面発光レーザーV/マスターレーザーMから不図示の検出器までの光路長のゆらぎが、各面発光レーザーVの直線偏光の定常状態の発振位相φ(定常)の読み出しエラーを生じさせ得る。そして、各面発光レーザーV/マスターレーザーMから不図示の検出器までの光路長のゆらぎを抑えることは困難である。 Further, the steady-state oscillation phase φ V (steady state) of the linearly polarized light of each surface emitting laser V is measured using homodyne detection with reference to the oscillation phase 0 of the linearly polarized light of the master laser M. However, fluctuations in the optical path length from each surface-emitting laser V / master laser M to a detector (not shown) cause an error in reading the steady-state oscillation phase φ V (steady state) of the linearly polarized light of each surface-emitting laser V. obtain. And it is difficult to suppress fluctuations in the optical path length from each surface emitting laser V / master laser M to a detector (not shown).

また、図2において、イジングサイトがM個であるとき、面発光レーザーVはM個必要であり、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個必要である。そして、イジングサイトが多数になると、イジングモデルの量子計算装置が大規模かつ複雑になる。   In FIG. 2, when the number of Ising sites is M, M surface emitting lasers V are required, and M (M-1) / 2 are required for the Ising interaction mounting portions. When the number of Ising sites increases, the Ising model quantum computing device becomes large and complex.

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、イジングモデルの量子計算装置において、読み出しエラーを防止するとともに、回路構成を簡易にすることを目的とする。   Accordingly, in order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to prevent a read error and simplify a circuit configuration in an Ising model quantum computing device.

上記目的を達成するために、高調波モード同期発振を用いて、同一の発振周波数を有する複数のレーザーパルスを発振し、複数のレーザーパルスの間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、複数のレーザーパルスの間のイジング相互作用の大きさ及び位相を実装し、複数のレーザーパルスの定常状態の発振位相を測定することにより、複数のイジングサイトのスピンの方向を測定することとした。   In order to achieve the above object, a plurality of laser pulses having the same oscillation frequency are oscillated using harmonic mode-locked oscillation, and the amplitude and phase of light exchanged between the plurality of laser pulses are controlled. Measuring the spin direction of multiple Ising sites by implementing the magnitude and phase of the Ising interaction between multiple laser pulses and measuring the steady-state oscillation phase of the multiple laser pulses; did.

具体的には、本発明は、イジングモデルの複数のサイトに対応し、同一の発振周波数を有する複数のレーザーパルスを発振する高調波モード同期レーザーと、前記複数のレーザーパルスの各ペアについて、2つのレーザーパルスの間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、前記2つのレーザーパルスの間の擬似的なイジング相互作用の大きさ及び符号を実装するイジング相互作用実装部と、前記複数のレーザーパルスが光を交換する過程で定常状態に到達した後に、前記複数のレーザーパルスの発振位相を測定することにより、前記複数のレーザーパルスの擬似的なイジングスピンを測定するイジングスピン測定部と、を備えることを特徴とするイジングモデルの量子計算装置である。   Specifically, the present invention relates to a harmonic mode-locked laser that oscillates a plurality of laser pulses having the same oscillation frequency corresponding to a plurality of sites of the Ising model, and two pairs of the plurality of laser pulses. An Ising interaction implementation that implements the magnitude and sign of the pseudo Ising interaction between the two laser pulses by controlling the amplitude and phase of the light exchanged between the two laser pulses; An Ising spin measurement unit that measures pseudo Ising spins of the plurality of laser pulses by measuring an oscillation phase of the plurality of laser pulses after a plurality of laser pulses reach a steady state in a process of exchanging light. And an Ising model quantum computation device.

この構成によれば、複数のレーザーパルスは、同一の発振周波数を有するため、各レーザーパルスの初期状態の発振位相が、各レーザーパルスの定常状態の2種類の発振位相のうち、一方の位相へは近く他方の位相へは遠い、ということがない。よって、イジングモデルの量子計算装置において、読み出しエラーを防止することができる。   According to this configuration, since the plurality of laser pulses have the same oscillation frequency, the oscillation phase in the initial state of each laser pulse changes to one of the two oscillation phases in the steady state of each laser pulse. Is not near to the other phase. Therefore, a read error can be prevented in the Ising model quantum computing device.

そして、第1及び第2の従来技術では、マスターレーザーを必要としているのに対して、本発明では、マスターレーザーを不要とすることができる。さらに、第1及び第2の従来技術では、面発光レーザーをイジングサイトの個数分も必要としているのに対して、本発明では、高調波モード同期レーザーを1台のみ準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   The first and second conventional techniques require a master laser, whereas the present invention can eliminate the need for a master laser. Furthermore, while the first and second conventional techniques require as many surface emitting lasers as the number of Ising sites, in the present invention, only one harmonic mode-locked laser needs to be prepared. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

また、本発明は、前記イジング相互作用実装部は、前記2つのレーザーパルスの間の時間間隔に等しい遅延時間を生じさせ、前記2つのレーザーパルスのうち一方のレーザーパルスの一部を入力され、入力された前記一方のレーザーパルスの一部を振幅位相変調し、振幅位相変調した前記一方のレーザーパルスの一部を前記2つのレーザーパルスのうち他方のレーザーパルスに合波するイジング相互作用実装用遅延変調部、を含み、前記イジング相互作用実装用遅延変調部は、前記複数のレーザーパルスのうち、時間間隔が等しいレーザーパルスの複数のペアについて、遅延線及び振幅位相変調器の単一のセットを共用することを特徴とするイジングモデルの量子計算装置である。   Further, according to the present invention, the Ising interaction implementation unit generates a delay time equal to a time interval between the two laser pulses, and a part of one of the two laser pulses is input. For implementation of Ising interaction that amplitude-phase modulates a part of the input one laser pulse, and combines the amplitude-phase modulated part of the one laser pulse with the other laser pulse of the two laser pulses A delay modulation unit, wherein the Ising interaction implementation delay modulation unit includes a single set of delay lines and amplitude phase modulators for a plurality of pairs of laser pulses having the same time interval among the plurality of laser pulses. Is an Ising model quantum computing device characterized in that

この構成によれば、レーザーパルスの各ペアについて、イジング相互作用実装部を準備するのではなく、時間間隔が等しいレーザーパルスの複数のペアについて、イジング相互作用実装部を共用すれば足りる。つまり、イジングサイトがM個であるとき、第1及び第2の従来技術では、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個必要であるのに対して、本発明では、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個も必要がなくなる。   According to this configuration, it is sufficient to share the Ising interaction mounting unit for a plurality of pairs of laser pulses having the same time interval, instead of preparing the Ising interaction mounting unit for each pair of laser pulses. That is, when the number of Ising sites is M, the first and second prior arts require M (M−1) / 2 Ising interaction implementation units, whereas in the present invention, the Ising mutual implementation unit. There is no need for M (M−1) / 2 action mounting sections.

特に、M個のイジングサイトに対応するM個のレーザーパルスが、高調波モード同期レーザーのリング共振器中で等間隔(時間間隔τ)に並んでいるとき、異なるレーザーパルスの間の時間間隔は、τ、・・・、(M−1)τの(M−1)種類となるため、イジング相互作用実装部は、(M−1)種類のみ準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In particular, when M laser pulses corresponding to M Ising sites are arranged at equal intervals (time interval τ) in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser, the time interval between different laser pulses is , Τ,..., (M−1) τ, and (M−1) types, it is sufficient to prepare only the (M−1) types of Ising interaction mounting units. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

また、本発明は、イジングモデルの複数のサイトに対応し、同一の発振周波数を有する複数のレーザーパルスと、前記イジングモデルの直流磁場に対応し、前記同一の発振周波数を有する単一のレーザーパルスと、を発振する高調波モード同期レーザーと、前記複数のレーザーパルスの各ペアについて、2つのレーザーパルスの間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、前記2つのレーザーパルスの間の擬似的なイジング相互作用の大きさ及び符号を実装するイジング相互作用実装部と、前記複数のレーザーパルスの各々について、前記単一のレーザーパルスから注入される光の振幅及び位相を制御することにより、前記複数のレーザーパルスの各々での擬似的なゼーマンエネルギーの大きさ及び符号を実装するゼーマンエネルギー実装部と、前記複数のレーザーパルスが光を交換し注入される過程で定常状態に到達した後に、前記複数のレーザーパルスの発振位相を測定することにより、前記複数のレーザーパルスの擬似的なイジングスピンを測定するイジングスピン測定部と、を備えることを特徴とするイジングモデルの量子計算装置である。   The present invention also provides a plurality of laser pulses corresponding to a plurality of sites of the Ising model and having the same oscillation frequency, and a single laser pulse corresponding to the DC magnetic field of the Ising model and having the same oscillation frequency. And for each pair of the plurality of laser pulses, by controlling the amplitude and phase of the light exchanged between the two laser pulses, between the two laser pulses. Controlling the amplitude and phase of light injected from the single laser pulse with respect to each of the plurality of laser pulses. To implement a pseudo Zeeman energy magnitude and sign for each of the plurality of laser pulses. And a plurality of laser pulses after reaching a steady state in the process in which the plurality of laser pulses are exchanged and injected, by measuring the oscillation phase of the plurality of laser pulses, An Ising model quantum computation device comprising: an Ising spin measurement unit that measures Ising spins.

この構成によれば、複数のレーザーパルスは、同一の発振周波数を有するため、各レーザーパルスの初期状態の発振位相が、各レーザーパルスの定常状態の2種類の発振位相のうち、一方の位相へは近く他方の位相へは遠い、ということがない。よって、イジングモデルの量子計算装置において、読み出しエラーを防止することができる。   According to this configuration, since the plurality of laser pulses have the same oscillation frequency, the oscillation phase in the initial state of each laser pulse changes to one of the two oscillation phases in the steady state of each laser pulse. Is not near to the other phase. Therefore, a read error can be prevented in the Ising model quantum computing device.

そして、第1及び第2の従来技術では、面発光レーザーへの注入同期の目的で、マスターレーザーを用いているのに対して、本発明では、ゼーマンエネルギーの実装の目的で、イジングモデルの直流磁場に対応するマスターパルスを用いている。さらに、第1及び第2の従来技術では、面発光レーザーをイジングサイトの個数分も必要としているのに対して、本発明では、高調波モード同期レーザーを1台のみ準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In the first and second prior arts, the master laser is used for the purpose of injection locking to the surface emitting laser, whereas in the present invention, the direct current of the Ising model is used for the purpose of mounting Zeeman energy. A master pulse corresponding to the magnetic field is used. Furthermore, while the first and second conventional techniques require as many surface emitting lasers as the number of Ising sites, in the present invention, only one harmonic mode-locked laser needs to be prepared. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

また、本発明は、前記イジング相互作用実装部は、前記2つのレーザーパルスの間の時間間隔に等しい遅延時間を生じさせ、前記2つのレーザーパルスのうち一方のレーザーパルスの一部を入力され、入力された前記一方のレーザーパルスの一部を振幅位相変調し、振幅位相変調した前記一方のレーザーパルスの一部を前記2つのレーザーパルスのうち他方のレーザーパルスに合波するイジング相互作用実装用遅延変調部、を含み、前記ゼーマンエネルギー実装部は、前記単一のレーザーパルス及び前記複数のレーザーパルスの各々の間の時間間隔に等しい遅延時間を生じさせ、前記単一のレーザーパルスの一部を入力され、入力された前記単一のレーザーパルスの一部を振幅位相変調し、振幅位相変調した前記単一のレーザーパルスの一部を前記複数のレーザーパルスの各々に合波するゼーマンエネルギー実装用遅延変調部、を含み、前記イジング相互作用実装用遅延変調部及び前記ゼーマンエネルギー実装用遅延変調部は、前記複数のレーザーパルス及び前記単一のレーザーパルスのうち、時間間隔が等しいレーザーパルスの複数のペアについて、遅延線及び振幅位相変調器の単一のセットを共用することを特徴とするイジングモデルの量子計算装置である。   Further, according to the present invention, the Ising interaction implementation unit generates a delay time equal to a time interval between the two laser pulses, and a part of one of the two laser pulses is input. For implementation of Ising interaction that amplitude-phase modulates a part of the input one laser pulse, and combines the amplitude-phase modulated part of the one laser pulse with the other laser pulse of the two laser pulses A delay modulation unit, wherein the Zeeman energy implementation unit generates a delay time equal to a time interval between each of the single laser pulse and the plurality of laser pulses, and a part of the single laser pulse. A part of the single laser pulse that is amplitude-phase modulated and a part of the single laser pulse that is amplitude-phase modulated. A Zeeman energy mounting delay modulation unit that multiplexes each of the plurality of laser pulses, wherein the Ising interaction mounting delay modulation unit and the Zeeman energy mounting delay modulation unit include the plurality of laser pulses and the single laser pulse. The Ising model quantum computing device is characterized by sharing a single set of delay line and amplitude phase modulator for a plurality of pairs of laser pulses having the same time interval among laser pulses.

この構成によれば、レーザーパルスの各ペアについて、イジング相互作用実装部を準備するのではなく、時間間隔が等しいレーザーパルスの複数のペアについて、イジング相互作用実装部を共用すれば足りる。つまり、イジングサイトがM個であるとき、第1及び第2の従来技術では、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個必要であるのに対して、本発明では、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個も必要がなくなる。そして、ゼーマンエネルギー実装部をイジング相互作用実装部と別個に準備するのではなく、ゼーマンエネルギー実装部をイジング相互作用実装部と共用で準備すれば足りる。   According to this configuration, it is sufficient to share the Ising interaction mounting unit for a plurality of pairs of laser pulses having the same time interval, instead of preparing the Ising interaction mounting unit for each pair of laser pulses. That is, when the number of Ising sites is M, the first and second prior arts require M (M−1) / 2 Ising interaction implementation units, whereas in the present invention, the Ising mutual implementation unit. There is no need for M (M−1) / 2 action mounting sections. In addition, it is sufficient to prepare the Zeeman energy mounting unit in common with the Ising interaction mounting unit, instead of preparing the Zeeman energy mounting unit separately from the Ising interaction mounting unit.

特に、M個のイジングサイトに対応するM個のレーザーパルスと、イジングモデルの直流磁場に対応する1個のマスターパルスが、高調波モード同期レーザーのリング共振器中で等間隔(時間間隔τ)に並んでいるとき、異なるパルスの間の時間間隔は、τ、・・・、MτのM種類となるため、イジング相互作用実装部及びゼーマンエネルギー実装部(これらは共用で準備すれば足りる)は、M種類のみ準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In particular, M laser pulses corresponding to M Ising sites and one master pulse corresponding to the DC magnetic field of the Ising model are equally spaced (time interval τ) in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser. Since the time intervals between different pulses are M types of τ,..., Mτ, the Ising interaction implementation unit and the Zeeman energy implementation unit (these need only be shared) It is sufficient to prepare only M types. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

また、本発明は、前記イジングスピン測定部は、前記複数のレーザーパルスのうち異なるレーザーパルスの発振位相が同相及び逆相のいずれであるかを遅延検波することにより、前記異なるレーザーパルスの擬似的なイジングスピンが同方向及び逆方向のいずれであるかを測定することを特徴とするイジングモデルの量子計算装置である。   In the present invention, the Ising spin measurement unit may detect the different laser pulses in a pseudo manner by delay-detecting whether the oscillation phase of different laser pulses is in phase or out of phase among the plurality of laser pulses. The Ising model quantum computing device is characterized by measuring whether Ising spin is in the same direction or in the opposite direction.

この構成によれば、第2の従来技術における各面発光レーザー/マスターレーザーから検出器までの光路長のゆらぎの問題をなくすことができる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、読み出しエラーを防止することができる。   According to this configuration, it is possible to eliminate the problem of fluctuation of the optical path length from each surface emitting laser / master laser to the detector in the second prior art. Therefore, a read error can be prevented in the Ising model quantum computing device.

そして、第2の従来技術では、各々の面発光レーザーについて1台のホモダイン検波装置が必要であり、イジングサイトの個数分のホモダイン検波装置が必要であるのに対して、本発明では、全てのレーザーパルスについて1台の遅延検波装置を準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In the second conventional technique, one homodyne detection device is required for each surface emitting laser, and as many homodyne detection devices as the number of Ising sites are required. It is sufficient to prepare one delay detector for the laser pulse. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

また、本発明は、前記高調波モード同期レーザーは、受動モード同期レーザーであることを特徴とするイジングモデルの量子計算装置である。   Further, the present invention is the Ising model quantum computation device, wherein the harmonic mode-locked laser is a passive mode-locked laser.

この構成によれば、高調波モード同期レーザーのリング共振器中の可飽和吸収体を用いて、外部の制御を必要とせず複数のレーザーパルスの系列を発振することができる。   According to this configuration, a saturable absorber in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser can be used to oscillate a series of laser pulses without requiring external control.

また、本発明は、前記高調波モード同期レーザーは、強制モード同期レーザーであることを特徴とするイジングモデルの量子計算装置である。   Further, the present invention is the Ising model quantum computation device, wherein the harmonic mode-locked laser is a forced mode-locked laser.

この構成によれば、高調波モード同期レーザーのリング共振器中の変調器を用いて、繰り返しの頻度の高い複数のレーザーパルスの系列を発振することができる。   According to this configuration, it is possible to oscillate a series of a plurality of laser pulses with a high repetition frequency using the modulator in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser.

また、本発明は、前記高調波モード同期レーザーは、モード同期ファイバーレーザーであり、前記イジング相互作用実装部は、ファイバー遅延線を含むことを特徴とするイジングモデルの量子計算装置である。   The harmonic mode-locked laser may be a mode-locked fiber laser, and the Ising interaction mounting unit may include a fiber delay line.

この構成によれば、複数のレーザーパルスの伝送路として、光ファイバーを用いているため、光損失が低く光強度が高く回路構成が簡易なイジングモデルの量子計算装置を提供することができる。ここで、光ファイバーの光路長が機械的な振動や熱的な膨張に影響されず安定に保持される時間は、〜10−4sであるところ、イジングモデルの量子計算装置がイジングスピンの安定化に要する時間は、〜10−9sであるため、イジングスピンの測定結果は、光ファイバーの機械的な振動や熱的な膨張に影響されない。 According to this configuration, since an optical fiber is used as a transmission path for a plurality of laser pulses, it is possible to provide an Ising model quantum computing device with low optical loss, high optical intensity, and a simple circuit configuration. Here, the time during which the optical path length of the optical fiber is stably maintained without being influenced by mechanical vibration or thermal expansion is 10 −4 s, and the Ising model quantum computer stabilizes the Ising spin. Since the time required for this is 10 −9 s, the Ising spin measurement result is not influenced by mechanical vibration or thermal expansion of the optical fiber.

本発明は、イジングモデルの量子計算装置において、読み出しエラーを防止するとともに、回路構成を簡易にすることができる。   The present invention can prevent a read error and simplify a circuit configuration in an Ising model quantum computing device.

第1の従来技術のイジングモデルの量子計算装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the quantum computing device of the Ising model of the 1st prior art. 第2の従来技術のイジングモデルの量子計算装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the quantum computer of the 2nd prior art Ising model. 第2の従来技術のイジングモデルの量子計算装置の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the quantum computing device of the Ising model of the 2nd prior art. 第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 1st Embodiment. 第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 1st Embodiment. 第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 1st Embodiment. 第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 1st Embodiment. 第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の処理を示す図である。It is a figure which shows the process of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 1st Embodiment. 第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の処理を示す図である。It is a figure which shows the process of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 1st Embodiment. 第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 2nd Embodiment. 第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 2nd Embodiment. 第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 2nd Embodiment. 第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 2nd Embodiment. 第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の処理を示す図である。It is a figure which shows the process of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 2nd Embodiment. 第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の処理を示す図である。It is a figure which shows the process of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 2nd Embodiment. 第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の処理を示す図である。It is a figure which shows the process of the quantum calculation apparatus of the Ising model of 2nd Embodiment.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

(第1の実施形態)
第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の概要を図4に示す。第1の実施形態では、イジングハミルトニアンを数式3のようにする。

Figure 0006260896
(First embodiment)
An outline of the Ising model quantum computation device of the first embodiment is shown in FIG. In the first embodiment, the Ising Hamiltonian is expressed by Equation 3.
Figure 0006260896

不図示の高調波モード同期レーザーは、イジングモデルの複数のサイトに対応し、同一の発振周波数を有する複数のレーザーパルスP1、P2、P3を発振する。   A harmonic mode-locked laser (not shown) corresponds to a plurality of sites of the Ising model and oscillates a plurality of laser pulses P1, P2, and P3 having the same oscillation frequency.

イジング相互作用実装部I12は、2つのレーザーパルスP1、P2の間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、2つのレーザーパルスP1、P2の間の擬似的なイジング相互作用J12の大きさ及び符号を実装する。 The Ising interaction implementation I12 controls the amplitude and phase of the light exchanged between the two laser pulses P1 and P2, thereby controlling the pseudo Ising interaction J 12 between the two laser pulses P1 and P2. Implement the size and sign of.

イジング相互作用実装部I13は、2つのレーザーパルスP1、P3の間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、2つのレーザーパルスP1、P3の間の擬似的なイジング相互作用J13の大きさ及び符号を実装する。 Ising interaction mounting portion I13, by controlling the two laser pulses P1, P3 light amplitude and phase exchanged between the two pseudo Ising interaction J 13 between the laser pulses P1, P3 Implement the size and sign of.

イジング相互作用実装部I23は、2つのレーザーパルスP2、P3の間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、2つのレーザーパルスP2、P3の間の擬似的なイジング相互作用J23の大きさ及び符号を実装する。 Ising interaction mounting portion I23, by controlling the two laser pulses P2, P3 amplitude and phase of light exchanged between the two laser pulses P2, P3 pseudo Ising interaction J 23 between Implement the size and sign of.

不図示のイジングスピン測定部は、レーザーパルスP1、P2、P3が光を交換する過程で定常状態に到達した後に、レーザーパルスP1、P2、P3の発振位相の進み/遅れを測定することにより、レーザーパルスP1、P2、P3の擬似的なイジングスピンσ、σ、σの上向き/下向きを測定する。 The Ising spin measurement unit (not shown) measures the advance / lag of the oscillation phase of the laser pulses P1, P2, and P3 after the laser pulses P1, P2, and P3 reach a steady state in the process of exchanging light. The upward / downward direction of the pseudo Ising spins σ 1 , σ 2 , and σ 3 of the laser pulses P1, P2, and P3 is measured.

このように、不図示の高調波モード同期レーザーでポンピング電流を漸増制御し、レーザーパルスP1、P2、P3のネットワーク全体で閾値利得が最低となる1つの発振モードを立ち上げ、レーザーパルスP1、P2、P3の発振位相を測定し、レーザーパルスP1、P2、P3に対応する各原子のスピンの方向を測定する。   In this way, the pumping current is gradually increased and controlled by a harmonic mode-locked laser (not shown), and one oscillation mode in which the threshold gain is the lowest in the entire network of the laser pulses P1, P2, and P3 is started, and the laser pulses P1, P2 are started. , P3 oscillation phase is measured, and the spin direction of each atom corresponding to the laser pulses P1, P2, P3 is measured.

第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の原理を図5に示す。各レーザーパルスPの発振位相φ(t)は、初期状態においては、0であり、定常状態においては、初期状態の発振位相0からずれた±π/2である。定常状態におけるφ(定常)=±π/2は、σ=±1に対応する(複号同順)。 The principle of the Ising model quantum computing device of the first embodiment is shown in FIG. The oscillation phase φ V (t) of each laser pulse P is 0 in the initial state, and is ± π / 2 deviated from the oscillation phase 0 in the initial state in the steady state. Φ V (steady state) = ± π / 2 in the steady state corresponds to σ = ± 1 (in the same order as the compound codes).

レーザーパルスPの各ペアについて、イジング相互作用Jijが正であるときには、2つのレーザーパルスPの擬似的なスピンσが異符号であることが、エネルギー的に有利である。よって、各イジング相互作用実装部は、2つのレーザーパルスPの発振位相φ(定常)が異符号でありずれをπとするような、発振モードが立ち上がりやすいようにする。 For each pair of laser pulses P, it is energetically advantageous that the pseudo spins σ of the two laser pulses P are of opposite signs when the Ising interaction J ij is positive. Therefore, each Ising interaction mounting unit makes it easy to start an oscillation mode in which the oscillation phase φ V (steady state) of the two laser pulses P has different signs and the deviation is π.

レーザーパルスPの各ペアについて、イジング相互作用Jijが負であるときには、2つのレーザーパルスPの擬似的なスピンσが同符号であることが、エネルギー的に有利である。よって、各イジング相互作用実装部は、2つのレーザーパルスPの発振位相φ(定常)が同符号でありずれを0とするような、発振モードが立ち上がりやすいようにする。 For each pair of laser pulses P, it is energetically advantageous that the pseudo spins σ of the two laser pulses P have the same sign when the Ising interaction J ij is negative. Therefore, each Ising interaction mounting unit makes it easy to start an oscillation mode in which the oscillation phase φ V (stationary) of the two laser pulses P has the same sign and the deviation is zero.

もっとも、イジングモデルの量子計算装置の全体において、一体として1つの発振モードが立ち上がるようにするのであり、レーザーパルスPの各ペアにおいて、上述の発振モードが実際に立ち上がることもあれば、必ずしも立ち上がらないこともある。   However, in the whole Ising model quantum computing device, one oscillation mode is caused to rise as a whole, and in each pair of laser pulses P, the above-described oscillation mode may actually rise or not necessarily rise. Sometimes.

図4及び図5で示した計算原理について詳述する。各レーザーパルスP1、P2、P3において、発振強度AVi(t)、発振位相φVi(t)及びキャリアの反転分布数差NCi(t)について、レート方程式は、数式4−7のようになる。

Figure 0006260896
Figure 0006260896
Figure 0006260896
Figure 0006260896
The calculation principle shown in FIGS. 4 and 5 will be described in detail. For each laser pulse P1, P2, and P3, the rate equation for the oscillation intensity A Vi (t), the oscillation phase φ Vi (t), and the carrier inversion distribution number difference N Ci (t) is as shown in Equation 4-7: Become.
Figure 0006260896
Figure 0006260896
Figure 0006260896
Figure 0006260896

ωは、発振周波数である。Qは、各レーザーパルスPの共振器Q値である。Pは、反転分布を実現するために各レーザーパルスPについて毎秒注入される電子数、すなわちポンピングレートである。数式4の−(1/2)(ω/Q)AVi(t)は、発振強度AVi(t)が共振器損失に起因して時間経過につれて減少するレートを示している。 ω is the oscillation frequency. Q is the resonator Q value of each laser pulse P. P is the number of electrons injected per second for each laser pulse P to realize the population inversion, that is, the pumping rate. -(1/2) (ω / Q) A Vi (t) in Expression 4 indicates a rate at which the oscillation intensity A Vi (t) decreases with time due to the resonator loss.

τspは、レーザー発振モード以外の他の発振モードへの自然放出に起因する電子寿命である。βは、全自然放出光のうちレーザー発振モードへの結合定数である。数式4の(1/2)ECVi(t)AVi(t)は、発振強度AVi(t)が誘導放出に起因して時間経過につれて増加するレートを示している。数式4のECVi(t)は、発振強度AVi(t)が自然放出に起因して時間経過につれて増加するレートを示している。 τ sp is the electron lifetime due to spontaneous emission to other oscillation modes other than the laser oscillation mode. β is a coupling constant to the laser oscillation mode in the total spontaneous emission light. (1/2) E CVi (t) A Vi (t) in Equation 4 indicates a rate at which the oscillation intensity A Vi (t) increases with time due to stimulated emission. E CVi (t) in Equation 4 indicates a rate at which the oscillation intensity A Vi (t) increases with time due to spontaneous emission.

数式4のξijが関わる項は、イジング相互作用を実装するためのレーザーパルスPの間の相互注入光に関わる項である。数式4の−(ω/Q)(1/2)ξijVj(t)cos{φVj(t)−φVi(t)}は、j番目のサイトからi番目のサイトへと光が注入されたときに、i番目のサイトにおける発振強度AVi(t)が時間経過につれて変化するレートを示している。数式4のΣ(j≠i)は、i番目のサイトにおける、i番目以外の他の全てのサイト(j番目)からの寄与を示している。 The term related to ξ ij in Equation 4 is a term related to the mutual injection light between the laser pulses P for implementing the Ising interaction. − (Ω / Q) (1/2) ξ ij A Vj (t) cos {φ Vj (t) −φ Vi (t)} in Expression 4 indicates that light is transmitted from the j-th site to the i-th site. It shows the rate at which the oscillation intensity A Vi (t) at the i-th site changes over time when injected. Σ (j ≠ i) in Expression 4 indicates contributions from all the sites other than the i-th site (j-th) in the i-th site.

数式5のξijが関わる項は、イジング相互作用を実装するためのレーザーパルスPの間の相互注入光に関わる項である。数式5の−(1/AVi(t))(ω/Q)(1/2)ξijVj(t)sin{φVj(t)−φVi(t)}は、j番目のサイトからi番目のサイトへと光が注入されたときに、i番目のサイトにおける発振位相φVi(t)が時間経過につれて変化するレートを示している。数式5のΣ(j≠i)は、i番目のサイトにおける、i番目以外の他の全てのサイト(j番目)からの寄与を示している。 The term related to ξ ij in Formula 5 is a term related to the mutual injection light between the laser pulses P for implementing the Ising interaction. -(1 / A Vi (t)) (ω / Q) (1/2) in Formula 5 ξ ij A Vj (t) sin {φ Vj (t) −φ Vi (t)} is the j-th site This shows the rate at which the oscillation phase φ Vi (t) at the i-th site changes with time when light is injected from the i-th site to the i-th site. Σ (j ≠ i) in Expression 5 indicates contributions from all sites (jth) other than the ith site in the ith site.

AV、FφV及びFは、それぞれ、i番目のサイトにおける、発振強度AVi(t)、発振位相φVi(t)及びキャリアの反転分布数差NCi(t)に対する雑音を示す。 F AV , F φV, and F N indicate noise with respect to the oscillation intensity A Vi (t), the oscillation phase φ Vi (t), and the carrier inversion distribution number difference N Ci (t) at the i-th site, respectively.

定常状態において、数式4は、数式8のようになる。

Figure 0006260896
AVを無視して、数式8を変形すると、数式9のようになる。
Figure 0006260896
In the steady state, Equation 4 becomes Equation 8.
Figure 0006260896
If FAV is ignored and Equation 8 is transformed, Equation 9 is obtained.
Figure 0006260896

ここで、イジングモデルのσは、−1又は+1をとるところ、sinφViは、−1から+1までをとりうる。そこで、イジングモデル及びレーザーシステムの類似に着目して、σ=sinφViとおくと、数式9は、数式10のようになる。

Figure 0006260896
Here, σ i of the Ising model takes −1 or +1, and sin φ Vi can take from −1 to +1. Therefore, paying attention to the similarity between the Ising model and the laser system, if σ i = sinφ Vi is set, Equation 9 becomes Equation 10.
Figure 0006260896

数式10をM個の全部のサイトについて加算すると、数式11のようになり、レーザーシステムの全体の閾値利得ΣECViとして表わされる。

Figure 0006260896
When Equation 10 is added to all M sites, Equation 11 is obtained, which is expressed as the overall threshold gain ΣE CVi of the laser system.
Figure 0006260896

ここで、レーザーパルスPの間で相互注入を行なうことから、AVi(t)〜AVj(t)とおける。そして、上記定義のσ=sinφViにおいて、σ=±1であることから、φVi〜φVj〜±π/2とおける。このとき、数式11は、数式12のようになる。

Figure 0006260896
Here, since mutual injection is performed between the laser pulses P, A Vi (t) to A Vj (t) can be set. Then, in the above definition of σ i = sin φ Vi , since σ i = ± 1, φ Vi to φ Vj to ± π / 2 can be set. At this time, Expression 11 becomes Expression 12.
Figure 0006260896

ここで、高調波モード同期レーザーが均一な媒質を有するときには、レーザーシステム全体として、最小の閾値利得ΣECViを実現する発振位相状態{σ}が選択される。つまり、レーザーシステム全体として、1個の特定の発振モードが選択される。そして、発振モードの間の競合に起因して、1個の特定の発振モードは、他の発振モードを抑制する。 Here, when the harmonic mode-locked laser has a uniform medium, the oscillation phase state {σ i } that realizes the minimum threshold gain ΣE CVi is selected as the entire laser system. That is, one specific oscillation mode is selected for the entire laser system. Then, due to the competition between the oscillation modes, one specific oscillation mode suppresses the other oscillation modes.

つまり、レーザーシステム全体として、数式12のΣECViは最小化される。一方で、レーザーシステム全体として、数式12の(ω/Q)Mは一定である。よって、レーザーシステム全体として、数式12のΣξijσσは最小化される。 That is, ΣE CVi in Expression 12 is minimized for the entire laser system. On the other hand, (ω / Q) M in Expression 12 is constant for the entire laser system. Therefore, as a whole laser system, Σξ ij σ i σ j in Expression 12 is minimized.

ξij=Jijとおくと、レーザーシステム全体として、Σξijσσが最小化されると、ΣJijσσも最小化される。つまり、数式3のイジングハミルトニアンを最小化する基底状態が実現されたことになる。 putting the ξ ij = J ij, the entire laser system and Σξ ij σ i σ j is minimized, ΣJ ij σ i σ j is also minimized. That is, the ground state that minimizes the Ising Hamiltonian of Equation 3 is realized.

計算精度を向上させるためには、レーザーシステム全体でのレーザー発振モードについて、最小の閾値利得及びその次に小さい閾値利得の差を、自然放出レートで決定される飽和利得ECV及び光子減衰率ω/Qの差であるβ(ω/Q)(1/R)より十分に大きくする必要がある。ここで、R=I/Ith−1は、規格化ポンプレートであり、I及びIthは、それぞれ注入電流及びそのレーザー発振閾値である。よって、βを小さくしRを高くすることにより、計算精度を向上させることができる。 In order to improve the calculation accuracy, the difference between the minimum threshold gain and the next smallest threshold gain for the laser oscillation mode of the entire laser system is determined by the saturation gain E CV and the photon attenuation rate ω determined by the spontaneous emission rate. It is necessary to make it sufficiently larger than β (ω / Q) (1 / R) which is the difference of / Q. Here, R = I / I th −1 is a normalized pump rate, and I and I th are an injection current and a laser oscillation threshold value, respectively. Therefore, calculation accuracy can be improved by reducing β and increasing R.

図4及び図5を用いて説明したように、複数のレーザーパルスPは、同一の発振周波数を有するため、各レーザーパルスPの初期状態の発振位相φVi(t=0)が、各レーザーパルスPの定常状態の2種類の発振位相φVi(定常)=±π/2のうち、一方の位相へは近く他方の位相へは遠い、ということがない。よって、イジングモデルの量子計算装置において、読み出しエラーを防止することができる。 As described with reference to FIGS. 4 and 5, since the plurality of laser pulses P have the same oscillation frequency, the oscillation phase φ Vi (t = 0) in the initial state of each laser pulse P is equal to each laser pulse. Of the two oscillation phases φ Vi (steady state) = ± π / 2 in the steady state of P, there is no such thing as being close to one phase and far from the other phase. Therefore, a read error can be prevented in the Ising model quantum computing device.

そして、第1及び第2の従来技術では、マスターレーザーMを必要としているのに対して、本実施形態では、マスターレーザーMを不要とすることができる。さらに、第1及び第2の従来技術では、面発光レーザーVをイジングサイトの個数分も必要としているのに対して、本実施形態では、高調波モード同期レーザーを1台のみ準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In the first and second prior arts, the master laser M is required, whereas in the present embodiment, the master laser M can be omitted. Furthermore, in the first and second prior arts, as many surface emitting lasers V as the number of Ising sites are required, in this embodiment, it is sufficient to prepare only one harmonic mode-locked laser. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の第1の構成を図6に示す。図6の構成では、高調波モード同期レーザーは、受動モード同期ファイバーレーザーである。   FIG. 6 shows a first configuration of the Ising model quantum computation device according to the first embodiment. In the configuration of FIG. 6, the harmonic mode-locked laser is a passively mode-locked fiber laser.

受動モード同期ファイバーレーザーは、ポンプレーザー1、WDM(Wavelength Division Multiplexing)カプラー2、エルビウム添加ファイバー3、1/4波長板4、1/2波長板5、ビームスプリッター6及び1/4波長板7から構成される。1/4波長板4、1/2波長板5及び1/4波長板7は、NPR(Nonlinear Polarization Rotation)を用いた可飽和吸収体を構成する。受動モード同期ファイバーレーザーは、リング共振器中の可飽和吸収体を用いて、外部の制御を必要とせず複数のレーザーパルスPの系列を発振することができる。   The passive mode-locked fiber laser is composed of a pump laser 1, a WDM (Wavelength Division Multiplexing) coupler 2, an erbium-doped fiber 3, a quarter-wave plate 4, a half-wave plate 5, a beam splitter 6 and a quarter-wave plate 7. Composed. The quarter wavelength plate 4, the half wavelength plate 5, and the quarter wavelength plate 7 constitute a saturable absorber using NPR (Nonlinear Polarization Rotation). A passively mode-locked fiber laser can oscillate a series of laser pulses P using a saturable absorber in a ring resonator without requiring external control.

第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の第2の構成を図7に示す。図7の構成では、高調波モード同期レーザーは、強制モード同期ファイバーレーザーである。   FIG. 7 shows a second configuration of the Ising model quantum computation device according to the first embodiment. In the configuration of FIG. 7, the harmonic mode-locked laser is a forced mode-locked fiber laser.

強制モード同期ファイバーレーザーは、ポンプレーザー1、WDMカプラー2、エルビウム添加ファイバー3、分散シフトファイバー8、カプラー9、アイソレーター10、変調器11、フィルタ12、カプラー13、クロック抽出器14、位相制御器15及び増幅器16から構成される。変調器11は、複数のレーザーパルスPの系列の繰り返しの頻度を、リング共振器長Lで決まる周波数c/nL(cは光速、nは屈折率)の任意の整数倍に設定する。強制モード同期ファイバーレーザーは、リング共振器中の変調器11を用いて、繰り返しの頻度の高い複数のレーザーパルスPの系列を発振することができる。   The forced mode-locked fiber laser includes a pump laser 1, a WDM coupler 2, an erbium-doped fiber 3, a dispersion shift fiber 8, a coupler 9, an isolator 10, a modulator 11, a filter 12, a coupler 13, a clock extractor 14, and a phase controller 15. And an amplifier 16. The modulator 11 sets the repetition frequency of the series of the plurality of laser pulses P to an arbitrary integer multiple of the frequency c / nL (c is the speed of light and n is the refractive index) determined by the ring resonator length L. The forced mode-locked fiber laser can oscillate a series of a plurality of laser pulses P having a high repetition frequency by using the modulator 11 in the ring resonator.

図6及び図7の構成では、複数のレーザーパルスPの系列を発振する方法は相違するが、イジング相互作用を実装する方法及びイジングスピンを測定する方法は同様である。ここで、M個のイジングサイトに対応するM個のレーザーパルスPが、高調波モード同期レーザーのリング共振器中で等間隔(時間間隔τ)に並んでいるとする。   6 and 7, the method of oscillating a series of a plurality of laser pulses P is different, but the method of implementing Ising interaction and the method of measuring Ising spin are the same. Here, it is assumed that M laser pulses P corresponding to M Ising sites are arranged at equal intervals (time interval τ) in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser.

イジング相互作用実装部は、振幅位相変調器AP1、AP2、・・・、AP(M−1)及びファイバー遅延線DL1、DL2、・・・、DL(M−1)から構成される。   The Ising interaction implementation unit includes amplitude phase modulators AP1, AP2,..., AP (M-1) and fiber delay lines DL1, DL2,.

振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセットは、遅延時間τを生じさせ、時間間隔がτである2つのレーザーパルスPのペアのうち、一方のレーザーパルスPの一部を入力され、入力された一方のレーザーパルスPの一部を振幅位相変調し、振幅位相変調した一方のレーザーパルスPの一部を、時間間隔がτである2つのレーザーパルスPのペアのうち、他方のレーザーパルスPに合波する。   The set of the amplitude phase modulator AP1 and the fiber delay line DL1 generates a delay time τ, and one of the two laser pulse P pairs whose time interval is τ is input as a part of the input. A part of the one laser pulse P that has been subjected to amplitude-phase modulation, and a part of the one laser pulse P that has undergone amplitude-phase modulation is replaced with the other laser pulse of the pair of two laser pulses P whose time interval is τ. Combine with P.

ここで、振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセットは、時間間隔がτである任意の2つのレーザーパルスPのペアについて、共用される。このように、振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセットは、時間間隔がτである2つのレーザーパルスPの間の擬似的なイジング相互作用Jijの大きさ及び符号を実装する。 Here, the set of the amplitude phase modulator AP1 and the fiber delay line DL1 is shared for any two pairs of laser pulses P whose time interval is τ. Thus, the set of amplitude phase modulator AP1 and fiber delay line DL1 implements the magnitude and sign of a pseudo Ising interaction J ij between two laser pulses P whose time interval is τ.

振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットは、遅延時間2τを生じさせ、時間間隔が2τである2つのレーザーパルスPのペアのうち、一方のレーザーパルスPの一部を入力され、入力された一方のレーザーパルスPの一部を振幅位相変調し、振幅位相変調した一方のレーザーパルスPの一部を、時間間隔が2τである2つのレーザーパルスPのペアのうち、他方のレーザーパルスPに合波する。   The set of the amplitude phase modulator AP2 and the fiber delay line DL2 generates a delay time 2τ, and a part of one laser pulse P of two laser pulse P pairs whose time interval is 2τ is input and input. A part of the one laser pulse P that has been subjected to amplitude phase modulation, and a part of the one laser pulse P that has been subjected to amplitude phase modulation is replaced with the other laser pulse of the pair of two laser pulses P whose time interval is 2τ. Combine with P.

ここで、振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットは、時間間隔が2τである任意の2つのレーザーパルスPのペアについて、共用される。このように、振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットは、時間間隔が2τである2つのレーザーパルスPの間の擬似的なイジング相互作用Jijの大きさ及び符号を実装する。 Here, the set of the amplitude phase modulator AP2 and the fiber delay line DL2 is shared for any two pairs of laser pulses P whose time interval is 2τ. Thus, a set of amplitude and phase modulators AP2 and fiber delay line DL2 implements magnitude and sign of the pseudo Ising interaction J ij between two laser pulses P time interval is 2.tau.

振幅位相変調器AP(M−1)及びファイバー遅延線DL(M−1)のセットについても、振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセット並びに振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットと同様のことが成り立つ。   As for the set of the amplitude phase modulator AP (M-1) and the fiber delay line DL (M-1), the set of the amplitude phase modulator AP1 and the fiber delay line DL1, and the set of the amplitude phase modulator AP2 and the fiber delay line DL2. The same is true.

第1の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の処理を図8及び図9に示す。ここで、3個のイジングサイトに対応する3個のレーザーパルスPが、高調波モード同期レーザーのリング共振器中で等間隔(時間間隔τ)に並んでいるとする。   The processing of the Ising model quantum computation device of the first embodiment is shown in FIGS. Here, it is assumed that three laser pulses P corresponding to three Ising sites are arranged at equal intervals (time interval τ) in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser.

−arg(Jij)は、Jijが正であれば、逆相変調を表し、Jijが負であれば、同相変調を表す。つまり、Jijが正であれば、2つのレーザーパルスPの発振位相がずれをπとする発振モードが立ち上がりやすいようにして、Jijが負であれば、2つのレーザーパルスPの発振位相がずれを0とする発振モードが立ち上がりやすいようにする。 -Arg (J ij), if any positive J ij is, it represents a reverse-phase modulation, if J ij is negative, represents the phase modulation. That is, if J ij is positive, an oscillation mode in which the oscillation phase of the two laser pulses P is shifted by π is likely to rise, and if J ij is negative, the oscillation phase of the two laser pulses P is An oscillation mode in which the deviation is 0 is made to rise easily.

まず、図8の上段では、レーザーパルスP1が振幅位相変調器及びファイバー遅延線に入力され、イジング相互作用J12、J13の大きさ及び符号が実装される。 First, in the upper part of FIG. 8, the laser pulse P1 is input to the amplitude phase modulator and the fiber delay line, and the magnitudes and signs of the Ising interactions J 12 and J 13 are mounted.

レーザーパルスP1の一部は、ファイバー遅延線DL1に入力され、振幅位相変調器AP1により、|J12|に比例する振幅変調及び−arg(J12)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL1により、遅延時間τを経て、ファイバー遅延線DL1から出力される。ファイバー遅延線DL1から出力されたレーザーパルスP1の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2に入力されつつあるレーザーパルスP2に合波される。このように、イジング相互作用J12の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P1 is input to the fiber delay line DL1, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 12 | and phase modulation of −arg (J 12 ) by the amplitude phase modulator AP1, and the fiber delay line DL1. The signal is output from the fiber delay line DL1 after a delay time τ. A part of the laser pulse P1 output from the fiber delay line DL1 is combined with the laser pulse P2 being input to the fiber delay lines DL1 and DL2. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 12 is mounted.

レーザーパルスP1の一部は、ファイバー遅延線DL2に入力され、振幅位相変調器AP2により、|J13|に比例する振幅変調及び−arg(J13)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL2により、遅延時間2τを経て、ファイバー遅延線DL2から出力される。ファイバー遅延線DL2から出力されたレーザーパルスP1の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2に入力されつつあるレーザーパルスP3に合波される。このように、イジング相互作用J13の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P1 is input to the fiber delay line DL2, is subjected to amplitude modulation proportional to | J 13 | and phase modulation of −arg (J 13 ) by the amplitude phase modulator AP2, and is transmitted by the fiber delay line DL2. The signal is output from the fiber delay line DL2 after a delay time 2τ. A part of the laser pulse P1 output from the fiber delay line DL2 is combined with the laser pulse P3 being input to the fiber delay lines DL1 and DL2. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 13 is mounted.

次に、図8の中段では、レーザーパルスP2が振幅位相変調器及びファイバー遅延線に入力され、イジング相互作用J23、J21の大きさ及び符号が実装される。 Next, in the middle part of FIG. 8, the laser pulse P2 is input to the amplitude phase modulator and the fiber delay line, and the magnitudes and signs of the Ising interactions J 23 and J 21 are implemented.

レーザーパルスP2の一部は、ファイバー遅延線DL1に入力され、振幅位相変調器AP1により、|J23|に比例する振幅変調及び−arg(J23)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL1により、遅延時間τを経て、ファイバー遅延線DL1から出力される。ファイバー遅延線DL1から出力されたレーザーパルスP2の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2に入力されつつあるレーザーパルスP3に合波される。このように、イジング相互作用J23の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P2 is input to the fiber delay line DL1, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 23 | and phase modulation of −arg (J 23 ) by the amplitude phase modulator AP1, and the fiber delay line DL1. The signal is output from the fiber delay line DL1 after a delay time τ. Part of the laser pulse P2 output from the fiber delay line DL1 is combined with the laser pulse P3 being input to the fiber delay lines DL1 and DL2. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 23 are mounted.

レーザーパルスP2の一部は、ファイバー遅延線DL2に入力され、振幅位相変調器AP2により、|J21|に比例する振幅変調及び−arg(J21)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL2により、遅延時間2τを経て、ファイバー遅延線DL2から出力される。ファイバー遅延線DL2から出力されたレーザーパルスP2の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2に入力されつつあるレーザーパルスP1に合波される。このように、イジング相互作用J21の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P2 is input to the fiber delay line DL2, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 21 | and phase modulation of −arg (J 21 ) by the amplitude phase modulator AP2, and is transmitted by the fiber delay line DL2. The signal is output from the fiber delay line DL2 after a delay time 2τ. A part of the laser pulse P2 output from the fiber delay line DL2 is combined with the laser pulse P1 being input to the fiber delay lines DL1 and DL2. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 21 is mounted.

次に、図8の下段では、レーザーパルスP3が振幅位相変調器及びファイバー遅延線に入力され、イジング相互作用J31、J32の大きさ及び符号が実装される。 Next, in the lower part of FIG. 8, the laser pulse P3 is input to the amplitude phase modulator and the fiber delay line, and the magnitudes and signs of the Ising interactions J 31 and J 32 are implemented.

レーザーパルスP3の一部は、ファイバー遅延線DL1に入力され、振幅位相変調器AP1により、|J31|に比例する振幅変調及び−arg(J31)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL1により、遅延時間τを経て、ファイバー遅延線DL1から出力される。ファイバー遅延線DL1から出力されたレーザーパルスP3の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2に入力されつつあるレーザーパルスP1に合波される。このように、イジング相互作用J31の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P3 is input to the fiber delay line DL1, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 31 | and phase modulation of −arg (J 31 ) by the amplitude phase modulator AP1, and the fiber delay line DL1. The signal is output from the fiber delay line DL1 after a delay time τ. A part of the laser pulse P3 output from the fiber delay line DL1 is combined with the laser pulse P1 being input to the fiber delay lines DL1 and DL2. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 31 is mounted.

レーザーパルスP3の一部は、ファイバー遅延線DL2に入力され、振幅位相変調器AP2により、|J32|に比例する振幅変調及び−arg(J32)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL2により、遅延時間2τを経て、ファイバー遅延線DL2から出力される。ファイバー遅延線DL2から出力されたレーザーパルスP3の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2に入力されつつあるレーザーパルスP2に合波される。このように、イジング相互作用J32の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P3 is input to the fiber delay line DL2, is subjected to amplitude modulation proportional to | J 32 | and phase modulation of −arg (J 32 ) by the amplitude phase modulator AP2, and is received by the fiber delay line DL2. The signal is output from the fiber delay line DL2 after a delay time 2τ. A part of the laser pulse P3 output from the fiber delay line DL2 is combined with the laser pulse P2 being input to the fiber delay lines DL1 and DL2. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 32 are mounted.

図8の上段、中段及び下段の処理は、レーザーパルスP1、P2、P3が光を交換する過程で定常状態に到達するまで、上述の順序で繰り返される。   8 are repeated in the above order until the laser pulses P1, P2, and P3 reach a steady state in the process of exchanging light.

図8及び図9を用いて説明したように、レーザーパルスPの各ペアについて、イジング相互作用実装部を準備するのではなく、時間間隔が等しいレーザーパルスPの複数のペアについて、イジング相互作用実装部を共用すれば足りる。つまり、イジングサイトがM個であるとき、第1及び第2の従来技術では、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個必要であるのに対して、本実施形態では、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個も必要がなくなる。   As described with reference to FIGS. 8 and 9, for each pair of laser pulses P, an Ising interaction mounting unit is not prepared, but an Ising interaction mounting is performed for a plurality of pairs of laser pulses P having the same time interval. It is enough to share the department. That is, when the number of Ising sites is M, the first and second prior arts require M (M-1) / 2 Ising interaction mounting units, whereas in this embodiment, the Ising site is Ising sites. It is not necessary to have M (M−1) / 2 interaction mounting units.

特に、M個のイジングサイトに対応するM個のレーザーパルスPが、高調波モード同期レーザーのリング共振器中で等間隔(時間間隔τ)に並んでいるとき、異なるレーザーパルスPの間の時間間隔は、τ、・・・、(M−1)τの(M−1)種類となるため、イジング相互作用実装部は、(M−1)種類のみ準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In particular, when M laser pulses P corresponding to M Ising sites are arranged at equal intervals (time interval τ) in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser, the time between different laser pulses P Since the intervals are (M−1) types of τ,..., (M−1) τ, it is sufficient to prepare only the (M−1) types of Ising interaction mounting units. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

また、図8及び図9では、イジング相互作用Jij、Jjiを異なるタイミングで実装している。よって、本実施形態では、Jij=Jjiである通常のイジングモデルを解くだけではなく、Jij≠Jjiである一般のイジングモデルを解くこともできる。 In FIGS. 8 and 9, Ising interactions J ij and J ji are mounted at different timings. Therefore, in this embodiment, not only a normal Ising model in which J ij = J ji but also a general Ising model in which J ij ≠ J ji can be solved.

図6及び図7において、イジングスピン測定部は、ビームスプリッターB1、B2、反射鏡R1、R2及び検出器DI、DOから構成される。   6 and 7, the Ising spin measurement unit includes beam splitters B1 and B2, reflectors R1 and R2, and detectors DI and DO.

イジングスピン測定部は、複数のレーザーパルスPのうち異なるレーザーパルスPの発振位相が同相及び逆相のいずれであるかを遅延検波することにより、異なるレーザーパルスPの擬似的なイジングスピンが同方向及び逆方向のいずれであるかを測定する。   The Ising spin measurement unit delay-detects whether the oscillation phase of different laser pulses P among the plurality of laser pulses P is in-phase or anti-phase, so that pseudo Ising spins of different laser pulses P are in the same direction. And the reverse direction is measured.

本実施形態では、イジングスピン測定部は、1パルス分離れた異なるレーザーパルスPの間で、遅延検波を行なっている。変形例として、イジングスピン測定部は、数パルス分離れた異なるレーザーパルスPの間で、遅延検波を行なってよい。   In the present embodiment, the Ising spin measurement unit performs delayed detection between different laser pulses P separated by one pulse. As a modification, the Ising spin measurement unit may perform delayed detection between different laser pulses P separated by several pulses.

先行のレーザーパルスPは、図6のビームスプリッター6又は図7のカプラー13から出力され、ビームスプリッターB1での反射、反射鏡R1での反射及び反射鏡R2での反射を経て、ビームスプリッターB2に到達する。後続のレーザーパルスPは、図6のビームスプリッター6又は図7のカプラー13から出力され、ビームスプリッターB1での透過を経て、ビームスプリッターB2に到達する。   The preceding laser pulse P is output from the beam splitter 6 in FIG. 6 or the coupler 13 in FIG. 7, passes through the reflection at the beam splitter B1, the reflection at the reflection mirror R1, and the reflection at the reflection mirror R2, and then enters the beam splitter B2. To reach. The subsequent laser pulse P is output from the beam splitter 6 in FIG. 6 or the coupler 13 in FIG. 7, passes through the beam splitter B1, and reaches the beam splitter B2.

ここで、ビームスプリッターB1〜反射鏡R1、R2〜ビームスプリッターB2の光路長と、ビームスプリッターB1〜ビームスプリッターB2の光路長と、の差分は、先行のレーザーパルスP及び後続のレーザーパルスPの間の間隔に等しい。よって、先行のレーザーパルスP及び後続のレーザーパルスPがビームスプリッターB2に到達した時点において、先行のレーザーパルスP及び後続のレーザーパルスPの間の干渉が発生する。   Here, the difference between the optical path length of the beam splitter B1 to the reflecting mirrors R1 and R2 to the beam splitter B2 and the optical path length of the beam splitter B1 to the beam splitter B2 is the difference between the preceding laser pulse P and the subsequent laser pulse P. Equal to the interval. Therefore, when the preceding laser pulse P and the subsequent laser pulse P reach the beam splitter B2, interference between the preceding laser pulse P and the subsequent laser pulse P occurs.

先行のレーザーパルスP及び後続のレーザーパルスPの間の発振位相がずれを0とする(同相である)ときには、ビームスプリッターB2で反射された先行のレーザーパルスPと、ビームスプリッターB2を透過した後続のレーザーパルスPが、強め合う干渉を発生させ、検出器DI(IはIn−phase)において高い光強度が検出される。   When the oscillation phase between the preceding laser pulse P and the succeeding laser pulse P is 0 (in phase), the preceding laser pulse P reflected by the beam splitter B2 and the succeeding light transmitted through the beam splitter B2 are transmitted. The laser pulse P of FIG. 1 generates constructive interference, and a high light intensity is detected in the detector DI (I is In-phase).

そして、検出器DIにおいて高い光強度が検出されたときには、先行のレーザーパルスP及び後続のレーザーパルスPの擬似的なイジングスピンは同方向と測定される。   When a high light intensity is detected by the detector DI, the pseudo Ising spins of the preceding laser pulse P and the succeeding laser pulse P are measured in the same direction.

先行のレーザーパルスP及び後続のレーザーパルスPの間の発振位相がずれをπとする(逆相である)ときには、ビームスプリッターB2を透過した先行のレーザーパルスPと、ビームスプリッターB2で反射された後続のレーザーパルスPが、強め合う干渉を発生させ、検出器DO(OはOut−of−phase)において高い光強度が検出される。   When the oscillation phase between the preceding laser pulse P and the succeeding laser pulse P is π (reverse phase), the preceding laser pulse P that has passed through the beam splitter B2 and the beam splitter B2 are reflected. Subsequent laser pulses P generate constructive interference, and high light intensity is detected at the detector DO (O is out-of-phase).

そして、検出器DOにおいて高い光強度が検出されたときには、先行のレーザーパルスP及び後続のレーザーパルスPの擬似的なイジングスピンは逆方向と測定される。   When high light intensity is detected by the detector DO, the pseudo Ising spin of the preceding laser pulse P and the succeeding laser pulse P is measured in the reverse direction.

図6及び図7を用いて説明したように、第2の従来技術における各面発光レーザーV/マスターレーザーMから検出器までの光路長のゆらぎの問題をなくすことができる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、読み出しエラーを防止することができる。   As described with reference to FIGS. 6 and 7, the problem of fluctuation in the optical path length from each surface emitting laser V / master laser M to the detector in the second prior art can be eliminated. Therefore, a read error can be prevented in the Ising model quantum computing device.

そして、第2の従来技術では、各々の面発光レーザーVについて1台のホモダイン検波装置が必要であり、イジングサイトの個数分のホモダイン検波装置が必要であるのに対して、本実施形態では、全てのレーザーパルスPについて1台の遅延検波装置を準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In the second prior art, one homodyne detection device is required for each surface-emitting laser V, and as many homodyne detection devices as the number of Ising sites are required. It is sufficient to prepare one delay detection device for all the laser pulses P. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

図6及び図7を用いて説明したように、複数のレーザーパルスPの伝送路として、光ファイバーを用いているため、光損失が低く光強度が高く回路構成が簡易なイジングモデルの量子計算装置を提供することができる。ここで、光ファイバーの光路長が機械的な振動や熱的な膨張に影響されず安定に保持される時間は、〜10−4sであるところ、イジングモデルの量子計算装置がイジングスピンの測定に必要とする時間は、〜10−9sであるため、イジングスピンの測定結果は、光ファイバーの機械的な振動や熱的な膨張に影響されない。 As described with reference to FIGS. 6 and 7, since an optical fiber is used as a transmission path for a plurality of laser pulses P, an Ising model quantum computing device with low optical loss, high optical intensity, and a simple circuit configuration is provided. Can be provided. Here, the time during which the optical path length of the optical fiber is stably maintained without being affected by mechanical vibration or thermal expansion is 10 −4 s, and the quantum computer of the Ising model can measure Ising spin. Since the required time is 10 −9 s, the measurement result of Ising spin is not affected by mechanical vibration or thermal expansion of the optical fiber.

(第2の実施形態)
第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の概要を図10に示す。第2の実施形態では、イジングハミルトニアンを数式13のようにする。

Figure 0006260896
(Second Embodiment)
An overview of the Ising model quantum computation device of the second embodiment is shown in FIG. In the second embodiment, the Ising Hamiltonian is expressed by Equation 13.
Figure 0006260896

不図示の高調波モード同期レーザーは、イジングモデルの複数のサイトに対応し、同一の発振周波数を有する複数のレーザーパルスP1、P2、P3と、イジングモデルの直流磁場に対応し、当該同一の発振周波数を有する単一のマスターパルスP0と、を発振する。   A harmonic mode-locked laser (not shown) corresponds to a plurality of sites of the Ising model, corresponds to a plurality of laser pulses P1, P2, P3 having the same oscillation frequency, and a DC magnetic field of the Ising model, and has the same oscillation. A single master pulse P0 having a frequency is oscillated.

イジング相互作用実装部I12、I13、I23は、図4と同様の処理を行なう。   The Ising interaction mounting units I12, I13, and I23 perform the same processing as in FIG.

ゼーマンエネルギー実装部Z1は、レーザーパルスP1について、マスターパルスP0から注入される光の振幅及び位相を制御することにより、レーザーパルスP1での擬似的なゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号を実装する。 The Zeeman energy mounting unit Z1 mounts the magnitude and sign of the pseudo Zeeman energy λ 1 in the laser pulse P1 by controlling the amplitude and phase of the light injected from the master pulse P0 for the laser pulse P1. .

ゼーマンエネルギー実装部Z2は、レーザーパルスP2について、マスターパルスP0から注入される光の振幅及び位相を制御することにより、レーザーパルスP2での擬似的なゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号を実装する。 The Zeeman energy mounting unit Z2 controls the magnitude and sign of the pseudo Zeeman energy λ 2 in the laser pulse P2 by controlling the amplitude and phase of light injected from the master pulse P0 for the laser pulse P2. .

ゼーマンエネルギー実装部Z3は、レーザーパルスP3について、マスターパルスP0から注入される光の振幅及び位相を制御することにより、レーザーパルスP3での擬似的なゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号を実装する。 The Zeeman energy mounting unit Z3 controls the magnitude and sign of the pseudo Zeeman energy λ 3 in the laser pulse P3 by controlling the amplitude and phase of the light injected from the master pulse P0 for the laser pulse P3. .

不図示のイジングスピン測定部は、レーザーパルスP1、P2、P3が光を交換し注入される過程で定常状態に到達した後に、レーザーパルスP1、P2、P3の発振位相の進み/遅れを測定することにより、レーザーパルスP1、P2、P3の擬似的なイジングスピンσ、σ、σの上向き/下向きを測定する。 An Ising spin measuring unit (not shown) measures the advance / lag of the oscillation phase of the laser pulses P1, P2, and P3 after reaching a steady state in the process in which the laser pulses P1, P2, and P3 are exchanged and injected. Thus, the upward / downward direction of the pseudo Ising spins σ 1 , σ 2 , and σ 3 of the laser pulses P1, P2, and P3 is measured.

このように、不図示の高調波モード同期レーザーでポンピング電流を漸増制御し、レーザーパルスP1、P2、P3のネットワーク全体で閾値利得が最低となる1つの発振モードを立ち上げ、レーザーパルスP1、P2、P3の発振位相を測定し、レーザーパルスP1、P2、P3に対応する各原子のスピンの方向を測定する。   In this way, the pumping current is gradually increased and controlled by a harmonic mode-locked laser (not shown), and one oscillation mode in which the threshold gain is the lowest in the entire network of laser pulses P1, P2, and P3 is started, and laser pulses P1, P2 are started. , P3 oscillation phase is measured, and the spin direction of each atom corresponding to the laser pulses P1, P2, P3 is measured.

第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の原理を図11に示す。マスターパルスP0の発振位相0は、初期状態から定常状態まで変化しない。各レーザーパルスPの発振位相φ(t)は、初期状態においては、0であり、定常状態においては、初期状態の発振位相0からずれた±π/2である。定常状態におけるφ(定常)=±π/2は、σ=±1に対応する(複号同順)。 The principle of the Ising model quantum computing device of the second embodiment is shown in FIG. The oscillation phase 0 of the master pulse P0 does not change from the initial state to the steady state. The oscillation phase φ V (t) of each laser pulse P is 0 in the initial state, and is ± π / 2 deviated from the oscillation phase 0 in the initial state in the steady state. Φ V (steady state) = ± π / 2 in the steady state corresponds to σ = ± 1 (in the same order as the compound codes).

各イジング相互作用実装部は、図5と同様の処理を行なう。   Each Ising interaction implementation unit performs the same processing as in FIG.

各レーザーパルスPについて、ゼーマンエネルギーλが正であるときには、当該レーザーパルスPの擬似的なスピンσが−1であることが、エネルギー的に有利である。よって、各ゼーマンエネルギー実装部は、当該レーザーパルスPの発振位相φが−π/2であるような、発振モードが立ち上がりやすいようにする。 For each laser pulse P, when the Zeeman energy λ i is positive, it is energetically advantageous that the pseudo spin σ of the laser pulse P is −1. Therefore, the Zeeman energy mounting portion, the oscillation phase phi V of the laser pulses P are such that - [pi] / 2, so that the oscillation mode is likely to rise.

各レーザーパルスPについて、ゼーマンエネルギーλが負であるときには、当該レーザーパルスPの擬似的なスピンσが+1であることが、エネルギー的に有利である。よって、各ゼーマンエネルギー実装部は、当該レーザーパルスPの発振位相φが+π/2であるような、発振モードが立ち上がりやすいようにする。 For each laser pulse P, when the Zeeman energy λ i is negative, it is energetically advantageous that the pseudo spin σ of the laser pulse P is +1. Therefore, the Zeeman energy mounting portion, the oscillation phase phi V of the laser pulses P is such that + [pi / 2, so that the oscillation mode is likely to rise.

もっとも、イジングモデルの量子計算装置の全体において、一体として1つの発振モードが立ち上がるようにするのであり、レーザーパルスPの各ペアにおいて、上述の発振モードが実際に立ち上がることもあれば、必ずしも立ち上がらないこともある。   However, in the whole Ising model quantum computing device, one oscillation mode is caused to rise as a whole, and in each pair of laser pulses P, the above-described oscillation mode may actually rise or not necessarily rise. Sometimes.

図10及び図11で示した計算原理について詳述する。各レーザーパルスP1、P2、P3において、発振強度AVi(t)、発振位相φVi(t)及びキャリアの反転分布数差NCi(t)について、レート方程式は、数式14−17のようになる。

Figure 0006260896
Figure 0006260896
Figure 0006260896
Figure 0006260896
The calculation principle shown in FIGS. 10 and 11 will be described in detail. For each laser pulse P1, P2, P3, the rate equation for the oscillation intensity A Vi (t), the oscillation phase φ Vi (t) and the carrier inversion distribution number difference N Ci (t) is as shown in Equation 14-17. Become.
Figure 0006260896
Figure 0006260896
Figure 0006260896
Figure 0006260896

ωは、発振周波数である。Qは、マスターパルスP0及び各レーザーパルスPの共振器Q値である。nは、マスターパルスP0からの光子の数である。Pは、数式6と同様である。数式14の−(1/2)(ω/Q)AVi(t)は、数式4と同様である。 ω is the oscillation frequency. Q is the resonator Q value of the master pulse P0 and each laser pulse P. n M is the number of photons from the master pulse P0. P is the same as Equation 6. -(1/2) (ω / Q) A Vi (t) in Expression 14 is the same as Expression 4.

τspは、数式6、7と同様である。βは、数式7と同様である。数式14の(1/2)ECVi(t)AVi(t)及び数式14のECVi(t)は、数式4と同様である。 τ sp is the same as Equations 6 and 7. β is the same as Equation 7. (1/2) E CVi (t) A Vi (t) in Expression 14 and E CVi (t) in Expression 14 are the same as Expression 4.

数式14のξijが関わる項及び数式15のξijが関わる項は、数式4、5と同様である。FAV、FφV及びFは、数式4−6と同様である。 Term xi] ij terms and Equation 15 xi] ij of equation (14) involving involving is similar to equation 4 and 5. F AV , F φV and F N are the same as those in Expression 4-6.

各レーザーパルスPへの注入光について、マスターパルスP0の発振位相0からπ/2だけずれた位相を有する成分の強度は、ηに比例するとする。 For the light injected into each laser pulse P, the intensity of the component having a phase shifted by π / 2 from the oscillation phase 0 of the master pulse P0 is proportional to η i .

数式14のηが関わる項は、ゼーマンエネルギーに関わる項である。数式14の(ω/Q)√n{−ηsinφVi(t)}は、マスターパルスP0からi番目のサイトへと光が注入されたときに、i番目のサイトにおける発振強度AVi(t)が時間経過につれて変化するレートを示している。 The term related to η i in Equation 14 is a term related to Zeeman energy. (Ω / Q) √n M {−η i sinφ Vi (t)} in Expression 14 is the oscillation intensity A Vi at the i-th site when light is injected from the master pulse P0 to the i-th site. (T) shows a rate that changes over time.

数式15のηが関わる項は、ゼーマンエネルギーに関わる項である。数式15の(1/AVi(t))(ω/Q)√n{−ηcosφVi(t)}は、マスターパルスP0からi番目のサイトへと光が注入されたときに、i番目のサイトにおける発振位相φVi(t)が時間経過につれて変化するレートを示している。 The term related to η i in Expression 15 is a term related to Zeeman energy. (1 / A Vi (t)) (ω / Q) √n M {−η i cos φ Vi (t)} in Expression 15 is obtained when light is injected from the master pulse P0 to the i-th site. It shows the rate at which the oscillation phase φ Vi (t) at the i-th site changes over time.

定常状態において、数式14は、数式18のようになる。

Figure 0006260896
AVを無視して、数式18を変形すると、数式19のようになる。
Figure 0006260896
In the steady state, Equation 14 becomes Equation 18.
Figure 0006260896
Ignoring F AV, by transforming Equation 18, it becomes as Equation 19.
Figure 0006260896

ここで、イジングモデルのσは、−1又は+1をとるところ、sinφViは、−1から+1までをとりうる。そこで、イジングモデル及びレーザーシステムの類似に着目して、σ=sinφViとおくと、数式19は、数式20のようになる。

Figure 0006260896
Here, σ i of the Ising model takes −1 or +1, and sin φ Vi can take from −1 to +1. Therefore, paying attention to the similarity between the Ising model and the laser system, if σ i = sin φ Vi is set, Formula 19 becomes Formula 20:
Figure 0006260896

数式20をM個の全部のサイトについて加算すると、数式21のようになり、レーザーシステムの全体の閾値利得ΣECViとして表わされる。

Figure 0006260896
When Equation 20 is added to all M sites, Equation 21 is obtained, which is expressed as the overall threshold gain ΣE CVi of the laser system.
Figure 0006260896

ここで、レーザーパルスPの間で相互注入を行なうことから、そして、マスターパルスP0から各レーザーパルスPへと一方注入を行なうことから、AVi(t)〜AVj(t)〜√nとおける。そして、上記定義のσ=sinφViにおいて、σ=±1であることから、φVi〜φVj〜±π/2とおける。このとき、数式21は、数式22のようになる。

Figure 0006260896
Here, since mutual injection is performed between the laser pulses P, and one injection is performed from the master pulse P0 to each laser pulse P, A Vi (t) to A Vj (t) to √n M You can. Then, in the above definition of σ i = sin φ Vi , since σ i = ± 1, φ Vi to φ Vj to ± π / 2 can be set. At this time, Expression 21 becomes Expression 22.
Figure 0006260896

ここで、高調波モード同期レーザーが均一な媒質を有するときには、レーザーシステム全体として、最小の閾値利得ΣECViを実現する発振位相状態{σ}が選択される。つまり、レーザーシステム全体として、1個の特定の発振モードが選択される。そして、発振モードの間の競合に起因して、1個の特定の発振モードは、他の発振モードを抑制する。 Here, when the harmonic mode-locked laser has a uniform medium, the oscillation phase state {σ i } that realizes the minimum threshold gain ΣE CVi is selected as the entire laser system. That is, one specific oscillation mode is selected for the entire laser system. Then, due to the competition between the oscillation modes, one specific oscillation mode suppresses the other oscillation modes.

つまり、レーザーシステム全体として、数式22のΣECViは最小化される。一方で、レーザーシステム全体として、数式22の(ω/Q)Mは一定である。よって、レーザーシステム全体として、数式22のΣησ+Σξijσσは最小化される。 That is, as a whole laser system, ΣE CVi of Expression 22 is minimized. On the other hand, (ω / Q) M in Formula 22 is constant for the entire laser system. Therefore, Ση i σ i + Σξ ij σ i σ j in Expression 22 is minimized for the entire laser system.

ξij=Jij、η=λとおくと、レーザーシステム全体として、Σησ+Σξijσσが最小化されると、Σλσ+ΣJijσσも最小化される。つまり、数式13のイジングハミルトニアンを最小化する基底状態が実現されたことになる。 When ξ ij = J ij and η i = λ i , as a whole laser system, when Ση i σ i + Σξ ij σ i σ j is minimized, Σλ i σ i + ΣJ ij σ i σ j is also minimized. Is done. That is, the ground state that minimizes the Ising Hamiltonian of Expression 13 is realized.

計算精度を向上させるためには、レーザーシステム全体でのレーザー発振モードについて、最小の閾値利得及びその次に小さい閾値利得の差を、自然放出レートで決定される飽和利得ECV及び光子減衰率ω/Qの差であるβ(ω/Q)(1/R)より十分に大きくする必要がある。ここで、R=I/Ith−1は、規格化ポンプレートであり、I及びIthは、それぞれ注入電流及びそのレーザー発振閾値である。よって、βを小さくしRを高くすることにより、計算精度を向上させることができる。 In order to improve the calculation accuracy, the difference between the minimum threshold gain and the next smallest threshold gain for the laser oscillation mode of the entire laser system is determined by the saturation gain E CV and the photon attenuation rate ω determined by the spontaneous emission rate. It is necessary to make it sufficiently larger than β (ω / Q) (1 / R) which is the difference of / Q. Here, R = I / I th −1 is a normalized pump rate, and I and I th are an injection current and a laser oscillation threshold value, respectively. Therefore, calculation accuracy can be improved by reducing β and increasing R.

図10及び図11を用いて説明したように、複数のレーザーパルスPは、同一の発振周波数を有するため、各レーザーパルスPの初期状態の発振位相φVi(t=0)が、各レーザーパルスPの定常状態の2種類の発振位相φVi(定常)=±π/2のうち、一方の位相へは近く他方の位相へは遠い、ということがない。よって、イジングモデルの量子計算装置において、読み出しエラーを防止することができる。 As described with reference to FIGS. 10 and 11, since the plurality of laser pulses P have the same oscillation frequency, the initial oscillation phase φ Vi (t = 0) of each laser pulse P is determined by each laser pulse. Of the two oscillation phases φ Vi (steady state) = ± π / 2 in the steady state of P, there is no such thing as being close to one phase and far from the other phase. Therefore, a read error can be prevented in the Ising model quantum computing device.

そして、第1及び第2の従来技術では、面発光レーザーVへの注入同期の目的で、マスターレーザーMを用いているのに対して、本実施形態では、ゼーマンエネルギーの実装の目的で、イジングモデルの直流磁場に対応するマスターパルスP0を用いている。さらに、第1及び第2の従来技術では、面発光レーザーVをイジングサイトの個数分も必要としているのに対して、本実施形態では、高調波モード同期レーザーを1台のみ準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In the first and second prior arts, the master laser M is used for the purpose of injection locking to the surface emitting laser V, whereas in this embodiment, Ising is used for the purpose of mounting Zeeman energy. A master pulse P0 corresponding to the DC magnetic field of the model is used. Furthermore, in the first and second prior arts, as many surface emitting lasers V as the number of Ising sites are required, in this embodiment, it is sufficient to prepare only one harmonic mode-locked laser. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の第1の構成を図12に示す。図12の構成では、高調波モード同期レーザーは、受動モード同期ファイバーレーザーである。   FIG. 12 shows a first configuration of the Ising model quantum computation device according to the second embodiment. In the configuration of FIG. 12, the harmonic mode-locked laser is a passively mode-locked fiber laser.

受動モード同期ファイバーレーザーは、図6と同様である。   The passive mode-locked fiber laser is the same as in FIG.

第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の第2の構成を図13に示す。図13の構成では、高調波モード同期レーザーは、強制モード同期ファイバーレーザーである。   FIG. 13 shows a second configuration of the Ising model quantum computation device according to the second embodiment. In the configuration of FIG. 13, the harmonic mode-locked laser is a forced mode-locked fiber laser.

強制モード同期ファイバーレーザーは、図7と同様である。   The forced mode-locked fiber laser is the same as in FIG.

図12及び図13の構成では、複数のレーザーパルスPの系列を発振する方法は相違するが、イジング相互作用を実装する方法及びイジングスピンを測定する方法は同様である。ここで、M個のイジングサイト及び直流磁場に対応する(M+1)個のレーザーパルスPが、高調波モード同期レーザーのリング共振器中で等間隔(時間間隔τ)に並んでいるとする。   12 and 13, the method of oscillating a series of a plurality of laser pulses P is different, but the method of implementing Ising interaction and the method of measuring Ising spin are the same. Here, it is assumed that (M + 1) laser pulses P corresponding to M Ising sites and DC magnetic fields are arranged at equal intervals (time interval τ) in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser.

イジング相互作用実装部及びゼーマンエネルギー実装部は、振幅位相変調器AP1、AP2、・・・、AP(M)及びファイバー遅延線DL1、DL2、・・・、DL(M)から構成される。   The Ising interaction mounting unit and the Zeeman energy mounting unit are configured by amplitude phase modulators AP1, AP2,..., AP (M) and fiber delay lines DL1, DL2,.

振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセットは、図6及び図7と同様に、時間間隔がτである2つのレーザーパルスPの間の擬似的なイジング相互作用Jijの大きさ及び符号を実装するとともに、マスターパルスP0との時間間隔がτであるレーザーパルスPでの擬似的なゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号を実装する。 The set of the amplitude phase modulator AP1 and the fiber delay line DL1 is similar to FIGS. 6 and 7 in that the magnitude and sign of the pseudo Ising interaction J ij between two laser pulses P whose time interval is τ. And the magnitude and sign of the pseudo Zeeman energy λ i in the laser pulse P whose time interval with the master pulse P0 is τ.

振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセットは、遅延時間τを生じさせ、マスターパルスP0の一部を入力され、入力されたマスターパルスP0の一部を振幅位相変調し、振幅位相変調したマスターパルスP0の一部を、マスターパルスP0との時間間隔がτであるレーザーパルスPに合波する。   The set of the amplitude phase modulator AP1 and the fiber delay line DL1 generates a delay time τ, and a part of the master pulse P0 is inputted, and a part of the inputted master pulse P0 is amplitude phase modulated and amplitude phase modulated. A part of the master pulse P0 is combined with the laser pulse P whose time interval with the master pulse P0 is τ.

ここで、振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセットは、時間間隔がτである任意の2つのレーザーパルスPのペア並びにマスターパルスP0及びレーザーパルスPのペアについて、共用される。このように、振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセットは、マスターパルスP0との時間間隔がτであるレーザーパルスPでの擬似的なゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号を実装する。 Here, the set of the amplitude phase modulator AP1 and the fiber delay line DL1 is shared for any two pairs of laser pulses P having a time interval of τ and the pair of master pulses P0 and laser pulses P. In this way, the set of the amplitude phase modulator AP1 and the fiber delay line DL1 implements the magnitude and sign of the pseudo Zeeman energy λ i in the laser pulse P whose time interval with the master pulse P0 is τ.

振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットは、図6及び図7と同様に、時間間隔が2τである2つのレーザーパルスPの間の擬似的なイジング相互作用Jijの大きさ及び符号を実装するとともに、マスターパルスP0との時間間隔が2τであるレーザーパルスPでの擬似的なゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号を実装する。 The set of the amplitude phase modulator AP2 and the fiber delay line DL2 is similar to FIGS. 6 and 7 in that the magnitude and sign of the pseudo Ising interaction J ij between two laser pulses P whose time interval is 2τ. And the magnitude and sign of the pseudo Zeeman energy λ i in the laser pulse P whose time interval with the master pulse P0 is 2τ.

振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットは、遅延時間2τを生じさせ、マスターパルスP0の一部を入力され、入力されたマスターパルスP0の一部を振幅位相変調し、振幅位相変調したマスターパルスP0の一部を、マスターパルスP0との時間間隔が2τであるレーザーパルスPに合波する。   A set of the amplitude phase modulator AP2 and the fiber delay line DL2 generates a delay time 2τ, and a part of the master pulse P0 is inputted, and a part of the inputted master pulse P0 is amplitude phase modulated and amplitude phase modulated. A part of the master pulse P0 is combined with the laser pulse P whose time interval with the master pulse P0 is 2τ.

ここで、振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットは、時間間隔が2τである任意の2つのレーザーパルスPのペア並びにマスターパルスP0及びレーザーパルスPのペアについて、共用される。このように、振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットは、マスターパルスP0との時間間隔が2τであるレーザーパルスPでの擬似的なゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号を実装する。 Here, the set of the amplitude phase modulator AP2 and the fiber delay line DL2 is shared for any two pairs of laser pulses P and a pair of master pulses P0 and laser pulses P whose time interval is 2τ. In this way, the set of the amplitude phase modulator AP2 and the fiber delay line DL2 implements the magnitude and sign of the pseudo Zeeman energy λ i in the laser pulse P whose time interval with the master pulse P0 is 2τ.

振幅位相変調器AP(M)及びファイバー遅延線DL(M)のセットについても、振幅位相変調器AP1及びファイバー遅延線DL1のセット並びに振幅位相変調器AP2及びファイバー遅延線DL2のセットと同様のことが成り立つ。   The set of the amplitude phase modulator AP (M) and the fiber delay line DL (M) is the same as the set of the amplitude phase modulator AP1 and the fiber delay line DL1 and the set of the amplitude phase modulator AP2 and the fiber delay line DL2. Holds.

第2の実施形態のイジングモデルの量子計算装置の処理を図14から図16に示す。ここで、3個のイジングサイト及び直流磁場に対応する4個のレーザーパルスPが、高調波モード同期レーザーのリング共振器中で等間隔(時間間隔τ)に並んでいるとする。   The processing of the Ising model quantum computation device of the second embodiment is shown in FIGS. Here, it is assumed that four laser pulses P corresponding to three Ising sites and a DC magnetic field are arranged at equal intervals (time interval τ) in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser.

−arg(Jij)は、図9と同様である。 -Arg (J ij) is the same as FIG. 9.

−arg(λ)は、λが正であれば、位相遅れ変調を表し、λが負であれば、位相進み変調を表す。つまり、λが正であれば、各レーザーパルスPの発振位相が−π/2である発振モードが立ち上がりやすいようにして、λが負であれば、各レーザーパルスPの発振位相が+π/2である発振モードが立ち上がりやすいようにする。 -Arg (λ j ) represents phase lag modulation if λ j is positive and represents phase advance modulation if λ j is negative. That is, if λ j is positive, an oscillation mode in which the oscillation phase of each laser pulse P is −π / 2 is likely to rise, and if λ j is negative, the oscillation phase of each laser pulse P is + π. The oscillation mode that is / 2 is made to rise easily.

まず、図14の上段では、マスターパルスP0が振幅位相変調器及びファイバー遅延線に入力され、ゼーマンエネルギーλ、λ、λの大きさ及び符号が実装される。 First, in the upper part of FIG. 14, the master pulse P0 is input to the amplitude phase modulator and the fiber delay line, and the magnitudes and signs of the Zeeman energies λ 1 , λ 2 , and λ 3 are mounted.

マスターパルスP0の一部は、ファイバー遅延線DL1に入力され、振幅位相変調器AP1により、|λ|に比例する振幅変調及び−arg(λ)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL1により、遅延時間τを経て、ファイバー遅延線DL1から出力される。ファイバー遅延線DL1から出力されたマスターパルスP0の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP1に合波される。このように、ゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号が実装される。 A part of the master pulse P0 is input to the fiber delay line DL1, is subjected to amplitude modulation proportional to | λ 1 | and phase modulation of −arg (λ 1 ) by the amplitude phase modulator AP1, and is received by the fiber delay line DL1. The signal is output from the fiber delay line DL1 after a delay time τ. Part of the master pulse P0 output from the fiber delay line DL1 is combined with the laser pulse P1 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. Thus, the magnitude and sign of the Zeeman energy λ 1 is implemented.

マスターパルスP0の一部は、ファイバー遅延線DL2に入力され、振幅位相変調器AP2により、|λ|に比例する振幅変調及び−arg(λ)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL2により、遅延時間2τを経て、ファイバー遅延線DL2から出力される。ファイバー遅延線DL2から出力されたマスターパルスP0の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP2に合波される。このように、ゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号が実装される。 A part of the master pulse P0 is input to the fiber delay line DL2, is subjected to amplitude modulation proportional to | λ 2 | and phase modulation of −arg (λ 2 ) by the amplitude phase modulator AP2, and is received by the fiber delay line DL2. The signal is output from the fiber delay line DL2 after a delay time 2τ. A part of the master pulse P0 output from the fiber delay line DL2 is combined with the laser pulse P2 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. In this way, the magnitude and sign of the Zeeman energy λ 2 is implemented.

マスターパルスP0の一部は、ファイバー遅延線DL3に入力され、振幅位相変調器AP3により、|λ|に比例する振幅変調及び−arg(λ)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL3により、遅延時間3τを経て、ファイバー遅延線DL3から出力される。ファイバー遅延線DL3から出力されたマスターパルスP0の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP3に合波される。このように、ゼーマンエネルギーλの大きさ及び符号が実装される。 A part of the master pulse P0 is input to the fiber delay line DL3, and is subjected to amplitude modulation proportional to | λ 3 | and phase modulation of −arg (λ 3 ) by the amplitude phase modulator AP3, and is transmitted by the fiber delay line DL3. The signal is output from the fiber delay line DL3 after a delay time 3τ. Part of the master pulse P0 output from the fiber delay line DL3 is combined with the laser pulse P3 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. Thus, the magnitude and sign of the Zeeman energy λ 3 is implemented.

次に、図14の下段では、レーザーパルスP1が振幅位相変調器及びファイバー遅延線に入力され、イジング相互作用J12、J13の大きさ及び符号が実装される。 Next, in the lower part of FIG. 14, the laser pulse P1 is input to the amplitude phase modulator and the fiber delay line, and the magnitudes and signs of the Ising interactions J 12 and J 13 are implemented.

レーザーパルスP1の一部は、ファイバー遅延線DL1に入力され、振幅位相変調器AP1により、|J12|に比例する振幅変調及び−arg(J12)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL1により、遅延時間τを経て、ファイバー遅延線DL1から出力される。ファイバー遅延線DL1から出力されたレーザーパルスP1の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP2に合波される。このように、イジング相互作用J12の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P1 is input to the fiber delay line DL1, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 12 | and phase modulation of −arg (J 12 ) by the amplitude phase modulator AP1, and the fiber delay line DL1. The signal is output from the fiber delay line DL1 after a delay time τ. Part of the laser pulse P1 output from the fiber delay line DL1 is combined with the laser pulse P2 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 12 is mounted.

レーザーパルスP1の一部は、ファイバー遅延線DL2に入力され、振幅位相変調器AP2により、|J13|に比例する振幅変調及び−arg(J13)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL2により、遅延時間2τを経て、ファイバー遅延線DL2から出力される。ファイバー遅延線DL2から出力されたレーザーパルスP1の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP3に合波される。このように、イジング相互作用J13の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P1 is input to the fiber delay line DL2, is subjected to amplitude modulation proportional to | J 13 | and phase modulation of −arg (J 13 ) by the amplitude phase modulator AP2, and is transmitted by the fiber delay line DL2. The signal is output from the fiber delay line DL2 after a delay time 2τ. A part of the laser pulse P1 output from the fiber delay line DL2 is combined with the laser pulse P3 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 13 is mounted.

なお、図14の下段では、振幅位相変調器AP3は、光を遮断する。レーザーパルスP1での擬似的なゼーマンエネルギーλを実装するためには、マスターパルスP0からレーザーパルスP1へと光を注入すれば足りるのであり、レーザーパルスP1からマスターパルスP0へと光を注入する必要はないからである。 In the lower part of FIG. 14, the amplitude / phase modulator AP3 blocks light. In order to mount the pseudo Zeeman energy λ 1 with the laser pulse P1, it is sufficient to inject light from the master pulse P0 to the laser pulse P1, and light is injected from the laser pulse P1 to the master pulse P0. It is not necessary.

次に、図15の上段では、レーザーパルスP2が振幅位相変調器及びファイバー遅延線に入力され、イジング相互作用J23、J21の大きさ及び符号が実装される。 Next, in the upper part of FIG. 15, the laser pulse P2 is input to the amplitude phase modulator and the fiber delay line, and the magnitudes and signs of the Ising interactions J 23 and J 21 are implemented.

レーザーパルスP2の一部は、ファイバー遅延線DL1に入力され、振幅位相変調器AP1により、|J23|に比例する振幅変調及び−arg(J23)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL1により、遅延時間τを経て、ファイバー遅延線DL1から出力される。ファイバー遅延線DL1から出力されたレーザーパルスP2の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP3に合波される。このように、イジング相互作用J23の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P2 is input to the fiber delay line DL1, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 23 | and phase modulation of −arg (J 23 ) by the amplitude phase modulator AP1, and the fiber delay line DL1. The signal is output from the fiber delay line DL1 after a delay time τ. A part of the laser pulse P2 output from the fiber delay line DL1 is combined with the laser pulse P3 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 23 are mounted.

レーザーパルスP2の一部は、ファイバー遅延線DL3に入力され、振幅位相変調器AP3により、|J21|に比例する振幅変調及び−arg(J21)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL3により、遅延時間3τを経て、ファイバー遅延線DL3から出力される。ファイバー遅延線DL3から出力されたレーザーパルスP2の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP1に合波される。このように、イジング相互作用J21の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P2 is input to the fiber delay line DL3, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 21 | and phase modulation of −arg (J 21 ) by the amplitude phase modulator AP3, and is transmitted by the fiber delay line DL3. The signal is output from the fiber delay line DL3 after a delay time 3τ. Part of the laser pulse P2 output from the fiber delay line DL3 is combined with the laser pulse P1 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 21 is mounted.

なお、図15の上段では、振幅位相変調器AP2は、光を遮断する。レーザーパルスP2での擬似的なゼーマンエネルギーλを実装するためには、マスターパルスP0からレーザーパルスP2へと光を注入すれば足りるのであり、レーザーパルスP2からマスターパルスP0へと光を注入する必要はないからである。 In the upper part of FIG. 15, the amplitude / phase modulator AP2 blocks light. In order to implement the pseudo Zeeman energy λ 2 with the laser pulse P2, it is only necessary to inject light from the master pulse P0 to the laser pulse P2, and light is injected from the laser pulse P2 to the master pulse P0. It is not necessary.

次に、図15の下段では、レーザーパルスP3が振幅位相変調器及びファイバー遅延線に入力され、イジング相互作用J31、J32の大きさ及び符号が実装される。 Next, in the lower part of FIG. 15, the laser pulse P3 is input to the amplitude phase modulator and the fiber delay line, and the magnitudes and signs of the Ising interactions J 31 and J 32 are implemented.

レーザーパルスP3の一部は、ファイバー遅延線DL2に入力され、振幅位相変調器AP2により、|J31|に比例する振幅変調及び−arg(J31)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL2により、遅延時間2τを経て、ファイバー遅延線DL2から出力される。ファイバー遅延線DL2から出力されたレーザーパルスP3の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP1に合波される。このように、イジング相互作用J31の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P3 is input to the fiber delay line DL2, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 31 | and phase modulation of −arg (J 31 ) by the amplitude phase modulator AP2, and is transmitted by the fiber delay line DL2. The signal is output from the fiber delay line DL2 after a delay time 2τ. A part of the laser pulse P3 output from the fiber delay line DL2 is combined with the laser pulse P1 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 31 is mounted.

レーザーパルスP3の一部は、ファイバー遅延線DL3に入力され、振幅位相変調器AP3により、|J32|に比例する振幅変調及び−arg(J32)の位相変調を受け、ファイバー遅延線DL3により、遅延時間3τを経て、ファイバー遅延線DL3から出力される。ファイバー遅延線DL3から出力されたレーザーパルスP3の一部は、ファイバー遅延線DL1、DL2、DL3に入力されつつあるレーザーパルスP2に合波される。このように、イジング相互作用J32の大きさ及び符号が実装される。 A part of the laser pulse P3 is input to the fiber delay line DL3, and is subjected to amplitude modulation proportional to | J 32 | and phase modulation of −arg (J 32 ) by the amplitude phase modulator AP3. The signal is output from the fiber delay line DL3 after a delay time 3τ. A part of the laser pulse P3 output from the fiber delay line DL3 is combined with the laser pulse P2 being input to the fiber delay lines DL1, DL2, and DL3. Thus, the magnitude and sign of the Ising interaction J 32 are mounted.

なお、図15の下段では、振幅位相変調器AP1は、光を遮断する。レーザーパルスP3での擬似的なゼーマンエネルギーλを実装するためには、マスターパルスP0からレーザーパルスP3へと光を注入すれば足りるのであり、レーザーパルスP3からマスターパルスP0へと光を注入する必要はないからである。 In the lower part of FIG. 15, the amplitude / phase modulator AP1 blocks light. In order to implement the pseudo Zeeman energy λ 3 with the laser pulse P3, it is only necessary to inject light from the master pulse P0 to the laser pulse P3, and light is injected from the laser pulse P3 to the master pulse P0. It is not necessary.

図14の上段及び下段の処理並びに図15の上段及び下段の処理は、レーザーパルスP1、P2、P3が光を交換し注入される過程で定常状態に到達するまで、上述の順序で繰り返される。   The processes in the upper and lower stages in FIG. 14 and the processes in the upper and lower stages in FIG. 15 are repeated in the above-described order until a steady state is reached in the process in which the laser pulses P1, P2, and P3 are exchanged and injected.

図14から図16を用いて説明したように、レーザーパルスPの各ペアについて、イジング相互作用実装部を準備するのではなく、時間間隔が等しいレーザーパルスPの複数のペアについて、イジング相互作用実装部を共用すれば足りる。つまり、イジングサイトがM個であるとき、第1及び第2の従来技術では、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個必要であるのに対して、本実施形態では、イジング相互作用実装部はM(M−1)/2個も必要がなくなる。そして、ゼーマンエネルギー実装部をイジング相互作用実装部と別個に準備するのではなく、ゼーマンエネルギー実装部をイジング相互作用実装部と共用で準備すれば足りる。   As described with reference to FIGS. 14 to 16, instead of preparing an Ising interaction mounting unit for each pair of laser pulses P, Ising interaction mounting is performed for a plurality of pairs of laser pulses P having the same time interval. It is enough to share the department. That is, when the number of Ising sites is M, the first and second prior arts require M (M-1) / 2 Ising interaction mounting units, whereas in this embodiment, the Ising site is Ising sites. It is not necessary to have M (M−1) / 2 interaction mounting units. In addition, it is sufficient to prepare the Zeeman energy mounting unit in common with the Ising interaction mounting unit, instead of preparing the Zeeman energy mounting unit separately from the Ising interaction mounting unit.

特に、M個のイジングサイトに対応するM個のレーザーパルスPと、イジングモデルの直流磁場に対応する1個のマスターパルスP0が、高調波モード同期レーザーのリング共振器中で等間隔(時間間隔τ)に並んでいるとき、異なるパルスPの間の時間間隔は、τ、・・・、MτのM種類となるため、イジング相互作用実装部及びゼーマンエネルギー実装部(これらは共用で準備すれば足りる)は、M種類のみ準備すれば足りる。よって、イジングモデルの量子計算装置において、回路構成を簡易にすることができる。   In particular, M laser pulses P corresponding to M Ising sites and one master pulse P0 corresponding to the DC magnetic field of the Ising model are equally spaced (time intervals) in the ring resonator of the harmonic mode-locked laser. τ), the time intervals between different pulses P are M types of τ,..., Mτ, so the Ising interaction implementation unit and the Zeeman energy implementation unit (if these are prepared in common) It is sufficient to prepare only M types. Therefore, the circuit configuration can be simplified in the Ising model quantum computing device.

また、図14から図16では、イジング相互作用Jij、Jjiを異なるタイミングで実装している。よって、本実施形態では、Jij=Jjiである通常のイジングモデルを解くだけではなく、Jij≠Jjiである一般のイジングモデルを解くこともできる。 In FIGS. 14 to 16, Ising interactions J ij and J ji are mounted at different timings. Therefore, in this embodiment, not only a normal Ising model in which J ij = J ji but also a general Ising model in which J ij ≠ J ji can be solved.

図12及び図13において、イジングスピン測定部は、図6及び図7と同様である。   12 and 13, the Ising spin measurement unit is the same as in FIGS. 6 and 7.

図12及び図13を用いて説明したように、複数のレーザーパルスPの伝送路として、光ファイバーを用いているため、光損失が低く光強度が高く回路構成が簡易なイジングモデルの量子計算装置を提供することができる。ここで、光ファイバーの光路長が機械的な振動や熱的な膨張に影響されず安定に保持される時間は、〜10−4sであるところ、イジングモデルの量子計算装置がイジングスピンの測定に必要とする時間は、〜10−9sであるため、イジングスピンの測定結果は、光ファイバーの機械的な振動や熱的な膨張に影響されない。 As described with reference to FIGS. 12 and 13, since an optical fiber is used as a transmission path for a plurality of laser pulses P, an Ising model quantum computing device with low optical loss, high optical intensity, and a simple circuit configuration is provided. Can be provided. Here, the time during which the optical path length of the optical fiber is stably maintained without being affected by mechanical vibration or thermal expansion is 10 −4 s, and the quantum computer of the Ising model can measure Ising spin. Since the required time is 10 −9 s, the measurement result of Ising spin is not affected by mechanical vibration or thermal expansion of the optical fiber.

本発明のイジングモデルの量子計算装置は、イジングモデルにマッピングされるNP完全問題などを高速かつ容易に解くのに適している。   The Ising model quantum computing device of the present invention is suitable for solving a NP complete problem mapped to the Ising model at high speed and easily.

M:マスターレーザー
V、V1、V2、V3:面発光レーザー
P0:マスターパルス
P、P1、P2、P3:レーザーパルス
I12、I13、I23:イジング相互作用実装部
Z1、Z2、Z3:ゼーマンエネルギー実装部
AP1、AP2、AP3、AP(M−1)、AP(M):振幅位相変調器
DL1、DL2、DL3、DL(M−1)、DL(M):ファイバー遅延線
B1、B2:ビームスプリッター
R1、R2:反射鏡
DI、DO:検出器
1:ポンプレーザー
2:WDMカプラー
3:エルビウム添加ファイバー
4:1/4波長板
5:1/2波長板
6:ビームスプリッター
7:1/4波長板
8:分散シフトファイバー
9:カプラー
10:アイソレーター
11:変調器
12:フィルタ
13:カプラー
14:クロック抽出器
15:位相制御器
16:増幅器
M: Master lasers V, V1, V2, V3: Surface emitting lasers P0: Master pulses P, P1, P2, P3: Laser pulses I12, I13, I23: Ising interaction mounting parts Z1, Z2, Z3: Zeeman energy mounting parts AP1, AP2, AP3, AP (M-1), AP (M): Amplitude / phase modulators DL1, DL2, DL3, DL (M-1), DL (M): Fiber delay lines B1, B2: Beam splitter R1 R2: Reflector DI, DO: Detector 1: Pump laser 2: WDM coupler 3: Erbium-doped fiber 4: 1/4 wavelength plate 5: 1/2 wavelength plate 6: Beam splitter 7: 1/4 wavelength plate 8 : Dispersion shift fiber 9: coupler 10: isolator 11: modulator 12: filter 13: coupler 14: clock extractor 15: phase controller 6: amplifier

Claims (8)

イジングモデルの複数のサイトに対応し、同一の発振周波数を有する複数のレーザーパルスを発振する高調波モード同期レーザーと、
前記複数のレーザーパルスの各ペアについて、2つのレーザーパルスの間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、前記2つのレーザーパルスの間の擬似的なイジング相互作用の大きさ及び符号を実装するイジング相互作用実装部と、
前記複数のレーザーパルスが光を交換する過程で定常状態に到達した後に、前記複数のレーザーパルスの発振位相を測定することにより、前記複数のレーザーパルスの擬似的なイジングスピンを測定するイジングスピン測定部と、
を備えることを特徴とするイジングモデルの量子計算装置。
A harmonic mode-locked laser that oscillates multiple laser pulses with the same oscillation frequency, corresponding to multiple sites of the Ising model,
By controlling the amplitude and phase of light exchanged between two laser pulses for each pair of the plurality of laser pulses, the magnitude and sign of the pseudo Ising interaction between the two laser pulses An Ising interaction implementation that implements
Ising spin measurement that measures the pseudo Ising spin of the plurality of laser pulses by measuring the oscillation phase of the plurality of laser pulses after the laser pulses reach a steady state in the process of exchanging light. And
An Ising model quantum computing device comprising:
前記イジング相互作用実装部は、前記2つのレーザーパルスの間の時間間隔に等しい遅延時間を生じさせ、前記2つのレーザーパルスのうち一方のレーザーパルスの一部を入力され、入力された前記一方のレーザーパルスの一部を振幅位相変調し、振幅位相変調した前記一方のレーザーパルスの一部を前記2つのレーザーパルスのうち他方のレーザーパルスに合波するイジング相互作用実装用遅延変調部、を含み、
前記イジング相互作用実装用遅延変調部は、前記複数のレーザーパルスのうち、時間間隔が等しいレーザーパルスの複数のペアについて、遅延線及び振幅位相変調器の単一のセットを共用することを特徴とする請求項1に記載のイジングモデルの量子計算装置。
The Ising interaction implementation unit generates a delay time equal to a time interval between the two laser pulses, and receives a part of one of the two laser pulses as an input, A delay modulation unit for mounting an Ising interaction that amplitude-phase modulates a part of the laser pulse and combines a part of the one laser pulse that has been amplitude-phase modulated with the other laser pulse of the two laser pulses. ,
The delay modulation unit for mounting the Ising interaction shares a single set of delay lines and amplitude phase modulators for a plurality of pairs of laser pulses having the same time interval among the plurality of laser pulses. The Ising model quantum computation device according to claim 1.
イジングモデルの複数のサイトに対応し、同一の発振周波数を有する複数のレーザーパルスと、前記イジングモデルの直流磁場に対応し、前記同一の発振周波数を有する単一のレーザーパルスと、を発振する高調波モード同期レーザーと、
前記複数のレーザーパルスの各ペアについて、2つのレーザーパルスの間で交換される光の振幅及び位相を制御することにより、前記2つのレーザーパルスの間の擬似的なイジング相互作用の大きさ及び符号を実装するイジング相互作用実装部と、
前記複数のレーザーパルスの各々について、前記単一のレーザーパルスから注入される光の振幅及び位相を制御することにより、前記複数のレーザーパルスの各々での擬似的なゼーマンエネルギーの大きさ及び符号を実装するゼーマンエネルギー実装部と、
前記複数のレーザーパルスが光を交換し注入される過程で定常状態に到達した後に、前記複数のレーザーパルスの発振位相を測定することにより、前記複数のレーザーパルスの擬似的なイジングスピンを測定するイジングスピン測定部と、
を備えることを特徴とするイジングモデルの量子計算装置。
A harmonic that oscillates a plurality of laser pulses having the same oscillation frequency corresponding to a plurality of sites of the Ising model and a single laser pulse corresponding to the DC magnetic field of the Ising model and having the same oscillation frequency. A wave mode-locked laser,
By controlling the amplitude and phase of light exchanged between two laser pulses for each pair of the plurality of laser pulses, the magnitude and sign of the pseudo Ising interaction between the two laser pulses An Ising interaction implementation that implements
For each of the plurality of laser pulses, by controlling the amplitude and phase of light injected from the single laser pulse, the magnitude and sign of the pseudo Zeeman energy in each of the plurality of laser pulses can be obtained. The Zeeman Energy Implementation Department to implement,
The pseudo Ising spin of the plurality of laser pulses is measured by measuring the oscillation phase of the plurality of laser pulses after reaching a steady state in the process in which the plurality of laser pulses are exchanged and injected. Ising spin measurement unit,
An Ising model quantum computing device comprising:
前記イジング相互作用実装部は、前記2つのレーザーパルスの間の時間間隔に等しい遅延時間を生じさせ、前記2つのレーザーパルスのうち一方のレーザーパルスの一部を入力され、入力された前記一方のレーザーパルスの一部を振幅位相変調し、振幅位相変調した前記一方のレーザーパルスの一部を前記2つのレーザーパルスのうち他方のレーザーパルスに合波するイジング相互作用実装用遅延変調部、を含み、
前記ゼーマンエネルギー実装部は、前記単一のレーザーパルス及び前記複数のレーザーパルスの各々の間の時間間隔に等しい遅延時間を生じさせ、前記単一のレーザーパルスの一部を入力され、入力された前記単一のレーザーパルスの一部を振幅位相変調し、振幅位相変調した前記単一のレーザーパルスの一部を前記複数のレーザーパルスの各々に合波するゼーマンエネルギー実装用遅延変調部、を含み、
前記イジング相互作用実装用遅延変調部及び前記ゼーマンエネルギー実装用遅延変調部は、前記複数のレーザーパルス及び前記単一のレーザーパルスのうち、時間間隔が等しいレーザーパルスの複数のペアについて、遅延線及び振幅位相変調器の単一のセットを共用することを特徴とする請求項3に記載のイジングモデルの量子計算装置。
The Ising interaction implementation unit generates a delay time equal to a time interval between the two laser pulses, and receives a part of one of the two laser pulses as an input, A delay modulation unit for mounting an Ising interaction that amplitude-phase modulates a part of the laser pulse and combines a part of the one laser pulse that has been amplitude-phase modulated with the other laser pulse of the two laser pulses. ,
The Zeeman energy implementation produces a delay time equal to the time interval between each of the single laser pulse and the plurality of laser pulses, and a portion of the single laser pulse is input and input A Zeeman energy mounting delay modulation unit that amplitude-phase modulates a part of the single laser pulse and combines the amplitude-phase modulated part of the single laser pulse with each of the plurality of laser pulses; ,
The Ising interaction mounting delay modulation unit and the Zeeman energy mounting delay modulation unit include a delay line and a plurality of pairs of laser pulses having the same time interval among the plurality of laser pulses and the single laser pulse. 4. The Ising model quantum computation device according to claim 3, wherein a single set of amplitude and phase modulators is shared.
前記イジングスピン測定部は、前記複数のレーザーパルスのうち異なるレーザーパルスの発振位相が同相及び逆相のいずれであるかを遅延検波することにより、前記異なるレーザーパルスの擬似的なイジングスピンが同方向及び逆方向のいずれであるかを測定することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のイジングモデルの量子計算装置。   The Ising spin measurement unit delay-detects whether the oscillation phase of different laser pulses among the plurality of laser pulses is in-phase or anti-phase, so that pseudo Ising spins of the different laser pulses are in the same direction. The Ising model quantum computation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the quantum computation device measures either the reverse direction or the reverse direction. 前記高調波モード同期レーザーは、受動モード同期レーザーであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のイジングモデルの量子計算装置。   6. The Ising model quantum computation device according to claim 1, wherein the harmonic mode-locked laser is a passive mode-locked laser. 前記高調波モード同期レーザーは、強制モード同期レーザーであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のイジングモデルの量子計算装置。   6. The Ising model quantum computation device according to claim 1, wherein the harmonic mode-locked laser is a forced mode-locked laser. 前記高調波モード同期レーザーは、モード同期ファイバーレーザーであり、
前記イジング相互作用実装部は、ファイバー遅延線を含むことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のイジングモデルの量子計算装置。
The harmonic mode-locked laser is a mode-locked fiber laser,
8. The Ising model quantum computation device according to claim 1, wherein the Ising interaction mounting unit includes a fiber delay line. 9.
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