| 研究課題/領域番号 |
18K11231
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| 研究機関 | 福岡工業大学 |
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研究代表者 |
小野美 武 福岡工業大学, 工学部, 准教授 (70312676)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
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４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において、バイアス電源変動などに伴うバイナリ乱数("0","1")の生成割合に偏りの無い回路構成を新規に提案し、詳細な数値解析によりその有効性を示した。本方式ではSFQ回路のトグルフリップフロップをジョセフソン発振にて高速に作動させ、その状態をANDゲートによって読み出すことで乱数を取得するが、乱数取得割合にバイアス電源依存性があることが判っていた。ANDゲートから乱数("0","1")を取得する際の応答時間に差が発生することが原因であり、乱数取得トリガー信号のタイミングをクロック信号間の一定タイミングで到達する新方式により改善が可能であることを示した。本方式による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って試作を実施した。これらの結果を含めたこれまでの研究結果に関連して、学会発表３件、次年度学術論文掲載決定１件（掲載は2022年度）、にて公表を行った。さらに、本方式による乱数生成器の低温実験による検証を実施したが、低温計測器材の不具合により測定が完了せず、事業の１年延長によって低温計測による検証を次年度に実施することとした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
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しない新規の回路構成による乱数生成器の提案、および数値解析による検証について集中的に取り組んだ。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。本成果に関連して、学会発表３件、次年度学術論文掲載決定１件、にて公表を行った。一方、低温計測器材の不具合の影響により低温測定が計画通り完了できず、事業の１年延長によって次年度に実施することとした。
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を目論んだ新規の回路設計と集積化回路試作まで実施したが、実回路上での検証としての低温測定が完了しなかったことから、表記区分の（4）遅れている、となった。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は、昨年度実施した産業技術研究所のチップファンダリによる集積回路の試作チップを利用して、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低温での実験的な検証を行う予定である。不具合の発生した低温プローブのチップパッケージ装着部は、プリント基板修繕により常温での導通が得られており、低温測定を行えるよう整備している。前年度の繰り越し予算により、自設備による低温測定を実施し、同回路の乱数生成器としての動作と、乱数品質の検証を行っていく予定である。
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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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度が事業最終年度であり、新しく設計を行った集積回路のチップ試作を完了し、低温計測を自設備によって実施することとなったが、極低温プローブの不具合によって測定が完了未達となった。そのため、計測に要する支出（液体ヘリウム寒剤等）分の剰余が発生した。また、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ため、残額が生じた。
極低温プローブの補修が完了したため、次年度の延長期間に自設備での低温計測を実施することとし、次年度繰越経費は主に低温測定に係る費用として液体ヘリウムの購入での使用を予定している。
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