2020 Fiscal Year Research-status Report
超伝導単一磁束量子回路によるハードウェア乱数生成器とストカスティック演算への応用
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18K11231
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| Research Institution | Fukuoka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小野美 武 福岡工業大学, 工学部, 准教授 (70312676)
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2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超伝導 / 単一磁束量子回路 / 乱数生成器 / ストカスティック演算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、超伝導体の単一磁束量子演算回路による物理乱数生成器、およびその乱数生成器を用いたストカスティック論理演算回路の実験的な検証を、Nb/AlOx/Nbジョセフソン接合を用いた超伝導集積回路により行うことを目的としている。単一磁束量子（SFQ）回路はその高速・低消費電力性から信号処理回路への応用が期待されており、素子数の少ない回路で演算可能なストカスティック論理方式を利用することで、ソフトコンピューティングなどに適用可能なハードウェアコストの低い情報処理回路としての応用が期待される。
研究実施３年目となる当年度は、これまでに設計・検証を行ってきた、ジョセフソン発振を用いた超伝導物理乱数生成器から生成されるバイナリ乱数列の品質を詳細に検証し、乱数品質が回路の電源バイアスにより変動することを詳しく調査した。その結果、SFQ回路内で使用するANDゲートのスイッチング速度に、回路入力("0","1")状態の違いでバイアス電流依存性が発生し、乱数に偏りを生じる場合があることが判明した。一様な乱数品質を得るように、ANDゲートのパラメータ調整を行い、回路の改良に取り組んだ。この結果も含めたこれまでの研究結果に関連して、学術論文掲載１件、学会発表２件にて公表を行った。さらに、年度後半には乱数品質の電源バイアス依存性が極小となる新たな回路構成を発案し、数値解析による検証を行った。良い検証結果が得られており、次年度に集積化と実験的検証を行う方針とした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
当年度は、継続して開発を行ってきている超伝導物理乱数生成器において、乱数品質が回路の電源バイアスにより変動することを詳しく調査し、その原因究明と改善について集中的に取り組んだ。本成果に関連して、学術論文掲載１件、学会発表２件にて公表を行った。また、この乱数生成器の集積回路設計を行い、チップファンダリによる集積化チップを取得している。一方、新型コロナウイルス感染症の影響により低温測定が計画通り実施できず、次年度に持ち越す形となった。
以上のことより、提案している乱数生成器の乱数品質向上への見通しが得られ回路設計も進捗があったが、低温測定が進んでいないことから、表記区分の（4）遅れている、となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、昨年度後半に発案した、乱数品質が回路の電源バイアスによってほぼ変化しない回路構成による乱数生成器の数値解析による詳細な検証を行い、産業技術研究所によるチップファンダリ用の集積回路設計を行う。同回路は一般的に使用する論理ゲートの組み合わせで実現可能であり、同チップファンダリ用のロジックセルを基本として設計可能である。ただし、ジョセフソン接合の臨界電流密度が従来のそれより４倍高密度になる試作プロセスを用いるため、それに伴う高速化（スイッチング速度は約２倍）を見越した乱数生成器の回路設計とテスト回路の設計を予定している。その後、集積化チップを入手し、低温での実験的な検証を行う予定である。
寒剤である液体ヘリウムの入手状況が不透明であるが、独自に入手できた場合は測定を自前で実施し、あるいは、新型コロナウイルス感染症の状況を見定めた上、ヘリウムリサイクルを実施している他大学の協力を得て、学外での計測のどちらかを実施することを予定している。
また、物理乱数生成器を複数並列に配置した回路からビット長４程度の乱数を生成し、SFQディジタル比較器を用いてディジタルの入力値と比較することによるストカスティック演算のためのストカスティック信号列生成へ繋げたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
当年度は新型コロナウィルス感染症流行のため、発表を行った学会が全てオンライン開催となり、想定した旅費の使用が減ったことと、低温測定が進んでいないことから次年度使用額が生じた。次年度に必要となる低温測定に係る費用と、劣化が進んでいる低温測定用プローブのチップ装着部の磁気シールド管の交換費としての使用を予定している。
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