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

采用超导单通量量子电路的硬件随机数发生器及其在随机运算中的应用

基本信息

批准号：
18K11231
负责人：
小野美武
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Fukuoka Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18K11231/
关键词：
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

项目摘要

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５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、バイアス電源変動に伴うバイナリ乱数("0","1")の生成割合が理想的な50：50から差異が生じることを補償する回路構成を提案し、集積回路上での動作検証を行った。本回路は２つの乱数生成器を同一回路上に集積化し、そのうちの１つの乱数生成器の出力をインバーターにより反転する。この２つの乱数生成器からの乱数を交互に出力することで、乱数"0","1"の生成割合のバイアス電源依存性を低減する手法である。チップファンダリによって試作を行った回路を計測し、乱数 "0","1"の生成割合のバイアス電源依存性の低下が確認された。これらの結果を含めたこれまでの研究結果に関連して、学術論文掲載１件、学会発表２件にて公表を行った。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、寒剤の液体ヘリウムの入手が不調のため、十分な測定を実施するまでに至らず、事業の１年延長によって低温計測による検証を次年度も実施することとした。

在本研究中，我们将实验验证使用超导体中的单个磁通量子运算电路的物理随机数发生器和使用使用Nb/AlOx/Nb约瑟夫森结的随机数发生器的随机逻辑运算电路。这使用超导集成电路。单通量量子（SFQ）电路由于其高速和低功耗而有望应用于信号处理电路，并且通过使用允许用少量元件的电路进行计算的随机逻辑方法，它们可以用于预计它将作为可应用于编程等应用的低硬件成本信息处理电路得到应用。今年是研究实施的第五年，我们将使用迄今为止设计并验证的基于约瑟夫森振荡的超导物理随机数发生器来生成二进制随机数（“0”，“1”），因为我们提出了一种电路配置，可以补偿“)与理想的50:50的生成比之间的差异，并在集成电路上验证了其操作。该电路将两个随机数发生器集成在同一电路上，并使用反相器将其中一个随机数发生器的输出反相。通过从这两个随机数发生器交替输出随机数，该方法减少了随机数“0”和“1”的生成比率对偏置电源的依赖性。我们测量了使用芯片代工厂制作的电路原型，并确认随机数“0”和“1”的生成比率对偏置电源的依赖性较小。包括这些结果在内的先前研究成果已发表在一篇学术论文中并在学术会议上进行了两次演讲。使用该方法的随机数发生器已通过低温实验得到验证，但由于液氦作为制冷剂的可用性较差，因此无法进行足够的测量，因此决定在2018年再次进行该实验。