量子ダイナミクスを導入した新しい脳型計算機に関する研究

• 研究課題/領域番号: 15680008
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 感性情報学・ソフトコンピューティング
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 茂雄 東北大学, 電気通信研究所, 助教授 (10282013)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 28,730千円 (直接経費: 22,100千円、間接経費: 6,630千円); 2005年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2004年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2003年度: 20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)
• キーワード: 量子ビット / 断熱変化アルゴリズム / 高温超伝導体 / Si系核スピン / 巨視的量子トンネル / STM / 巨視的量子現象 / 人工神経回路 / 断熱的変化アルゴリズム / ジョセフソン接合 / 高温超伝導

研究概要

ニューロ的手法を導入した断熱的変化アルゴリズムについては、エネルギー散逸効果を取り入れることにより誤動作を排除できることを数値計算から明らかにし、断熱的変化アルゴリズムの弱点を補えることを示した。この成果は論文(PRA)として公表された。またニューラルネットワークと同様、量子計算でも学習を導入することが可能であることを見出した。さらに量子ヘッブ学習を提案し、数値計算によりその動作を確認した。以上から、量子ダイナミクスを導入した脳型計算機アルゴリズムの基幹部分を構築した。まだいくつか検証必要課題が残されているものの、これらの成果は従来のニューラルネットワークをはるかに陵駕できることを原理的に示しており、今後の研究進展が期待される。
製作面においては、まず昨年度の成果である高温超伝導体の固有ジョセフソン接合における巨視的量子トンネルについて論文(PRL)で公表した。次いでこの固有ジョセフソン接合の量子状態の制御を試みた。量子状態はマイクロ波を照射することによって制御可能であることから、まず測定系にマイクロ波ラインを導入し、その制御回路を構築した。ダイポールアンテナ等を使ってマイクロ波をサンプルに照射し、そのときの固有ジョセフソン接合の振る舞いを調べた。マイクロ波による共鳴現象、スイッチング電流の低下などを確認した。量子ビットの基本動作であるラビ振動の観測には至らなかったものの、マイクロ波の高精度な時間制御を行えばこれが可能であるとの感触を得ている。Si核スピン量子ビットにおいては、STM探針の先鋭化を図りより空間分解能の高い電子注入を実現した。しかし単水素原子を脱離することには成功せず、核スピン量子ビットの実現には至らなかった。これら2つのデバイスを比較すると、製作の容易さから固有ジョセフソン接合が有利であると言える。

研究成果

• [雑誌論文] Macroscopic Quantum Tunneling in a d-Wave High-Tc Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ> Superconductor (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Inomata et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 95 ページ: 107005-107005
• [雑誌論文] Neuromorphic quantum computation with energy dissipation (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Kinjo et al.
  • 雑誌名: Physical Review A 92 ページ: 52328-52328
• [雑誌論文] Evaluation of junction parameters with control of carrier concentration in Bi2Sr2CaCu2O8+dalta stacked junctions (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Inomata, et al.
  • 雑誌名: PHYSICA C-SUPERCONDUCTIVITY AND ITS APPLICATIONS 412-14 ページ: 1396-1400
• [雑誌論文] Single electron stochastic neural network (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Akima, et al.
  • 雑誌名: IEICE TRANSACTIONS ON FUNDAMENTALS E87A・9 ページ: 2221-2226
• [雑誌論文] Implementation of continuous-time dynamics on stochastic neurochip (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Akimoto, et al.
  • 雑誌名: IEICE TRANSACTIONS ON FUNDAMENTALS E87A・9 ページ: 2227-2232
• [雑誌論文] Single electron random number generator (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Akima, et al.
  • 雑誌名: IEICE TRANSACTIONS ON FUNDAMENTALS E87C・5 ページ: 832-834
• [雑誌論文] 量子ニューラルネットワーク実現への試み-量子ビットをニューロンとして使うために- (2004)
  • 著者名/発表者名: 佐藤茂雄, 金城光永, 中島康治
  • 雑誌名: 電子情報通信学会学会誌 87・6 ページ: 488-492
  • NAID: 110003228887
• [産業財産権] 銅酸化物高温超伝導体固有ジョセフソン接合を用いた量子ビット (2005)
  • 発明者名: 猪股, 佐藤, 他4名
  • 権利者名: 猪股, 佐藤, 他4名
  • 産業財産権番号: 2005-270031
  • 出願年月日: 2005-09-16
• [文献書誌] S.Sato et al.: "Implementation of a New Neurochip Using Stochastic Logic"IEEE Transactions on Neural Networks. 14・5. 1122-1127 (2003)
• [文献書誌] S.Sato et al.: "An Approach for Quantum Computing Using Adiabatic Evolution Algorithm"Japanese Journal of Applied Physics. 42・11. 7169-7173 (2003)
• [文献書誌] K.Inomata et al.: "Electrical Transport Characteristics of Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ> Stacked Junctions with Control of the Carrier Density"Superconductor Science and Technology. 16・12. 1365-1367 (2003)
• [文献書誌] M.Kinjo et al.: "Quantum Adiabatic Evolution Algorithm, for a Quantum Neural Network"Proceedings of Artificial Neural Networks and Neural Information Processing ICANN/ICONIP 2003. 951-958 (2003)
• [文献書誌] K.Inomata et al.: "Evaluation of Junction Parameters with Control of Carrier Concentration in Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ> Stacked Junctions"Abstracts of International Symposium on Superconductivity 2003. 304 (2003)
• [文献書誌] K.Inomata et al.: "Intrinsic Properties of Cross Whisker"Abstracts of Second East Asia Symposium on Superconductive Electronics. 68 (2003)