Development of single-electron reservoir compuiting

• Project/Area Number: 19H02545
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 大矢 剛嗣 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30432066)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2019: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: 単電子回路 / リザーバコンピューティング / ニューラルネットワーク

Outline of Research at the Start

単電子回路について、長らく熱雑音，ゆらぎ，素子間配線数の増大が弱点かつ問題となっている。これまでに応募者は、単電子回路へのニューラルネットワーク（NN）モデル実装の研究を進め、雑音・ゆらぎ利用能力付与の可能性を明らかにしてきた。本研究では、近年注目されているNNモデルの一つであるリザーバコンピューティングモデルの概念を導入し、特に配線数についての問題解決（配線数の削減）を狙う。具体的には、これまでの「単電子回路＋NN」研究の知見を活かし、配線数の削減，動作理論の構築，学習機能の実装等を課題に据え確認・解明を進める。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は「リザーバコンピューティング(RC)モデルを単電子デバイスに実装するための回路アーキテクチャの開発」をすることである。RCとは、近年注目を浴びているニューラルネットワーク(NN)モデルの一つである。最大の特徴は、リザーバと呼ばれる部分に含まれるニューロン間の接続や結合重みの設定法であり、一般的なNNでは十分に検討の必要があった設定・手法が不要になっている点である。究極的にはリザーバ部内のニューロン間配線はゼロでも構わないというのも回路アーキテクチャを考える際には大変魅力的である。よって、応募者のこれまでの「単電子回路＋NN」研究の知見を活かしつつRCモデルを導入することで、単電子回路研究の課題である配線数の問題と学習（シナプス結合の荷重変更）、およびこれまでの雑音・ノイズ利用を包括した新しい単電子情報処理の仕組みが完成する可能性がある。
本研究課題においては特に(i)リザーバコンピューティングモデルを基にどのように単電子回路化するのか、(ii) (i)の(配線数を抑制した)設計回路が雑音・ゆらぎ環境下で所望の動作をするか、(iii)動作した場合に、なぜ動作出来ているのかを説明できる理論の構築、(iv)学習機能の実装とそれが正常動作をするかの確認の4点について着目し研究を進めている。2022年度は2021年度に引き続き、主に(iv)について研究を進め、より実践的なオンライン学習の導入とその実現可能性を見出した。さらに、(iii)の理論構築についても検討を進めているところである。本年度の研究成果については、査読付き英語論文を2報、査読付き国際会議発表を5件、国内学会発表を12件（1件の招待講演含む）するに至った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究で主に設定している4つの課題のうち、前年度までの成果を踏まえつつ主に（iv) の学習についてさらに研究を進めることができた。加えて、(iii)の動作理論の構築についても検討を進めている。これまでに一定程度の研究成果が得られ、査読付き英語論文を2報、査読付き国際会議発表を5件、国内学会発表を12件（1件の招待講演含む）するに至ったため、おおむね順調に進展していると判断する。

Strategy for Future Research Activity

初年度において、単電子リザーバ回路構築のための基本的な知見をある程度見出すことができた。2020年度はコロナ禍で計画の変更も余儀なくされたが初年度に続く成果を得ることができた。2021年度は学習についての検討を進め重要な知見を得ることができた。2022年度は学習についての検討の深化と、動作理論構築の検討を進めた。最終年度となる本年度はそれらを踏まえつつ、総括的に(i)～(iv)で、十分な検討に至っていない部分を中心に検討を進める。
研究成果については、引き続き英語論文や各種学会・国際会議での発表を積極的に行う。

Research Products

• [Journal Article] Design of single-electron information-processing circuit modeled on Boids algorithm of fish shoals (2023)
  • Author(s): Yamashita Hideto、Oya Takahide
  • Journal Title: Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE Volume: 14 Issue: 2 Pages: 547-558
  • DOI: 10.1587/nolta.14.547
  • ISSN: 2185-4106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of comb-shaped single-electron slime mold circuit and its application to traveling salesman problem (2022)
  • Author(s): Matsuoka Takuya、Oya Takahide
  • Journal Title: International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems Volume: 37 Issue: 6 Pages: 613-622
  • DOI: 10.1080/17445760.2022.2140341
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Performance of reservoir computing in a random network of single-walled carbon nanotubes complexed with polyoxometalate (2022)
  • Author(s): Akai-Kasaya Megumi、Takeshima Yuki、Kan Shaohua、Nakajima Kohei、Oya Takahide、Asai Tetsuya
  • Journal Title: Neuromorphic Computing and Engineering Volume: 2 Issue: 1 Pages: 014003-014003
  • DOI: 10.1088/2634-4386/ac4339
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Noise-harnessing single-electron circuit with symmetrical, simple pair circuit structure and application to full adder circuit (2021)
  • Author(s): Kaide Risa, Oya Takahide
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: 8 Pages: 085001-085001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac1039
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of a single-electron neural network circuit controlling weights for reservoir computing (2021)
  • Author(s): Ueno Masaki, Oya Takahide
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SC Pages: SCCE02-SCCE02
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abe7fe
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Feasibility and advantage of reservoir computing on single-electron devices (2020)
  • Author(s): Oya Takahide
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: 4 Pages: 040602-040602
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab79fc
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of “bubble-inspired single-electron circuit” mimicking behavior of bubble film (2019)
  • Author(s): N. Kurata and T. Oya
  • Journal Title: Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE Volume: 10 Issue: 4 Pages: 399-413
  • DOI: 10.1587/nolta.10.399
  • NAID: 130007722659
  • ISSN: 2185-4106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 分子コンピューティングの原理に学ぶ単電子回路の改良検討 (2023)
  • Author(s): 横山海里, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 単電子リザーバコンピューティング回路の性能向上検討 (2023)
  • Author(s): 渡邉隼弥, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 熱雑音を味方につける単電子シナプス回路の開拓(2) (2023)
  • Author(s): 小林拓史, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 単電子反応拡散回路における平行波の伝搬方向制御に関する検討 (2023)
  • Author(s): 田村啓一朗, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Design of Single-Electron Reservoir Computing Circuit and Evaluation of Its Learning Function (2022)
  • Author(s): S. Watanabe and T. Oya
  • Organizer: Silicon Nanoelectronics Workshop 2022 (SNW 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of Single-Electron Unicursal Curve Drawing Circuit for Solving Undirected Graph (2022)
  • Author(s): S. Tsukada and T. Oya
  • Organizer: 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of a New Information-Processing Single-Electron Circuit Mimicking Behavior of Herd of Wolves (2022)
  • Author(s): R. Ogawa and T. Oya
  • Organizer: 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of signal route switching circuit for single-electron circuit with simple structure (2022)
  • Author(s): S. Tsukada and T. Oya
  • Organizer: the 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement of pursuit circuit for single-electron circuit mimicking behavior of herd of wolves (2022)
  • Author(s): R. Ogawa and T. Oya
  • Organizer: the 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アリの挙動に学ぶ単電子情報処理回路における要素回路の熱応答性評価 (2022)
  • Author(s): 岡田壮一, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] オオカミの群れ挙動に学ぶ単電子回路向け追跡挙動表現回路の改善検討 (2022)
  • Author(s): 小川 陸, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] オイラーグラフの一筆書き動作のための単電子回路の設計 (2022)
  • Author(s): 塚田聖司, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 分子コンピューティングの原理に学ぶ単電子回路のための反応方向決定回路 (2022)
  • Author(s): 横山海里, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単電子リザーバコンピューティング回路でのオンライン学習機能の実装," 第83回応用物理学会秋季学術講演会 (2022)
  • Author(s): 渡邉隼弥, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 熱雑音を味方につける単電子シナプス回路の開拓 (2022)
  • Author(s): 小林拓史, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 平行波発生・進行を表現する単電子反応拡散回路の性能向上検討 (2022)
  • Author(s): 田村啓一朗, 中森唯斗, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 自然・生物に学ぶ情報処理手法の量子・ナノデバイスへの実装検討 (2022)
  • Author(s): 大矢剛嗣
  • Organizer: 北陸先端科学技術大学院大学 自然との共感・共生国際シンポジウム2022
  • Invited
• [Presentation] アリの挙動に学ぶ単電子情報処理回路へのシミュレーテッド・アニーリング実装検討 (2022)
  • Author(s): 岡田壮一、大矢剛嗣
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] オオカミの群れ挙動に学ぶ単電子回路における追跡挙動表現の検討 (2022)
  • Author(s): 小川 陸、大矢剛嗣
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 無向グラフの一筆書き手順を導出可能な単電子情報処理回路の設計 (2022)
  • Author(s): 塚田聖司、大矢剛嗣
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 方向自在な単電子平行波発生・進行回路の性能評価 (2022)
  • Author(s): 中森唯斗、大矢剛嗣
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 分子コンピューティングの原理に学ぶ単電子情報処理回路における分子濃度表現 (2022)
  • Author(s): 横山海里、大矢剛嗣
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 単電子リザーバコンピューティング回路の新設計と学習機能の実装 (2022)
  • Author(s): 渡邉隼弥、大矢剛嗣
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 無向グラフの一筆書き手順を導出可能な単電子情報処理回路の設計 方向自在な単電子平行波発生・進行回路の性能評価 (2022)
  • Author(s): 塚田聖司、大矢剛嗣
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Design of new single-electron information-processing circuit mimicking Levy walks (2021)
  • Author(s): T. Sumino、T. Oya
  • Organizer: Silicon Nanoelectronics Workshop 2021 (SNW 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Information processing nanodevices learning from natural system (2021)
  • Author(s): T. Oya
  • Organizer: 2021 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Design of comb-shaped single-electron slime mold circuit and its applications to solving travelling salesman problem (2021)
  • Author(s): T. Matsuoka、T. Oya
  • Organizer: 34th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of new single-electron circuit for representation of fluid model (2021)
  • Author(s): T. Sumino、T. Oya
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of single-electron slime mold circuit and its application to solving travelling salesman problem (2021)
  • Author(s): T. Matsuoka、T. Oya
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単電子回路による流体モデルの圧力項表現 (2021)
  • Author(s): 角野友裕、大矢剛嗣
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 巡回セールスマン問題を解く単電子粘菌回路の動作性能評価 (2021)
  • Author(s): 松岡拓哉、大矢剛嗣
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] アリの挙動に学ぶ単電子情報処理回路の新設計 (2021)
  • Author(s): 岡田壮一、大矢剛嗣
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] オオカミの群れの挙動に学ぶ情報処理の単電子回路実装検討 (2021)
  • Author(s): 小川 陸、大矢剛嗣
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単電子回路への一筆書きアルゴリズム実装検討 (2021)
  • Author(s): 塚田聖司、大矢剛嗣
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単電子反応拡散回路における平行波の表現 (2021)
  • Author(s): 中森唯斗、大矢剛嗣
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 分子コンピューティングの原理に学ぶ単電子情報処理 (2021)
  • Author(s): 横山海里、大矢剛嗣
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 結合強度制御機能を導入した単電子リザーバコンピューティング回路 (2021)
  • Author(s): 渡邉隼弥、上野正暉、大矢剛嗣
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 流体の拡散を表現する単電子回路の定量的評価と改善 (2021)
  • Author(s): 角野友裕、大矢剛嗣
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 巡回セールスマン問題を解く単電子粘菌回路の改良検討 (2021)
  • Author(s): 松岡拓哉、大矢剛嗣
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] オオカミの群れの挙動に学ぶ情報処理の単電子回路実装検討 (2021)
  • Author(s): 小川 陸、大矢剛嗣
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 一筆書きの定理をモデルとした単電子情報処理回路の設計 (2021)
  • Author(s): 塚田聖司、大矢剛嗣
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Symmetrical, simple pair circuit on single-dopant device with thermal-noise-harnessing ability and its application to a full adder circuit (2020)
  • Author(s): R. Kaide、T. Shinada、T. Oya
  • Organizer: The 20th International Conference on Nanotechnology (IEEE NANO)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of Single-Electron Information-Processing Circuit Modeled on Behavior of Fish Shoals (2020)
  • Author(s): H. Yamashita、T. Oya
  • Organizer: The 33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of Weight Function Controllable Single-Electron Neural Network Circuit for Reservoir Computing (2020)
  • Author(s): M. Ueno、T. Oya
  • Organizer: The 33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単電子デバイスによるダイクストラ法の表現 (2020)
  • Author(s): 上野正暉, 大矢剛嗣
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 素子ばらつきを考慮した熱雑音を利用する単電子メモリ対回路の全加算器応用 (2020)
  • Author(s): 開出理砂、大矢剛嗣
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 魚群の挙動をモデルとした単電子情報処理回路の設計 (2020)
  • Author(s): 山下秀人、大矢剛嗣
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単電子回路による流体モデル表現 (2020)
  • Author(s): 角野友裕、大矢剛嗣
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 巡回セールスマン問題を解く単電子粘菌回路の検討 (2020)
  • Author(s): 松岡拓哉、大矢剛嗣
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単電子リザーバコンピューティングへの結合強度制御回路の検討 (2020)
  • Author(s): 上野正暉, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 熱雑音を活用する単電子メモリ対回路を用いた多ビット全加算器応用 (2020)
  • Author(s): 開出理砂, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 魚群に学ぶ単電子情報処理回路の設計 (2020)
  • Author(s): 山下秀人, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 単電子デバイスによるインド式計算の表現 (2020)
  • Author(s): 小川 稜, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 単電子デバイスによる乱流解析 (2020)
  • Author(s): 角野友裕, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 単電子粘菌の巡回セールスマン問題への応用 (2020)
  • Author(s): 松岡拓哉, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Design of multi-layer single-electron circuit mimicking behavior of bubble film for solving Steiner tree problem (2019)
  • Author(s): N. Kurata, T. Oya
  • Organizer: 45th International Conference on Micro & Nano Engineering (MNE 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of multi-layer single-electron information-processing circuit mimicking behavior of bubble film for solving nonlinear problem (2019)
  • Author(s): N. Kurata, T. Oya
  • Organizer: 2019 Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of learning circuit for single-electron neural networks (2019)
  • Author(s): M. Ueno, T. Oya
  • Organizer: 2019 Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal-noise-harnessing single-electron memory pair circuit and its application to full adder circuit with simple structure (2019)
  • Author(s): R. Kaide, T. Oya
  • Organizer: 2019 Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-electron information-processing circuit mimicking behavior of fish shoals (2019)
  • Author(s): H. Yamashita, T. Oya
  • Organizer: 2019 Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生物に学ぶ新しい情報処理デバイス (2019)
  • Author(s): 大矢剛嗣
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] シャボン膜の挙動を模倣した単電子情報処理回路の設計 (2019)
  • Author(s): 倉田信彦, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単電子回路へのリザーバコンピューティングの実装検討 (2019)
  • Author(s): 上野正暉, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 熱雑音を利用する単電子メモリ対回路を用いた全加算器の多段化検討 (2019)
  • Author(s): 開出理砂, 大矢剛嗣
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Remarks] 横浜国立大学大学院理工学府 大矢剛嗣研究室 研究業績ページ
  • URL: http://arrow.ynu.ac.jp/publication.html