▶ ザ トラスティーズ オブ ザ スティーブンズ インスティテュート オブ テクノロジーの特許一覧
特表2023-527135多体相互作用及び全対全接続を有するスーパー・イジング・エミュレータ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-27
(54)【発明の名称】多体相互作用及び全対全接続を有するスーパー・イジング・エミュレータ
(51)【国際特許分類】
G06E 3/00 20060101AFI20230620BHJP
G02F 3/00 20060101ALI20230620BHJP
G06N 99/00 20190101ALI20230620BHJP
G06N 10/80 20220101ALI20230620BHJP
【ＦＩ】
G06E3/00
G02F3/00
G06N99/00 180
G06N10/80
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022569453
(86)(22)【出願日】2021-05-13
(85)【翻訳文提出日】2023-01-10
(86)【国際出願番号】 US2021032338
(87)【国際公開番号】W WO2021231794
(87)【国際公開日】2021-11-18
(31)【優先権主張番号】63/024,257
(32)【優先日】2020-05-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】505166627
【氏名又は名称】ザ トラスティーズ オブ ザ スティーブンズ インスティテュート オブ テクノロジー
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(72)【発明者】
【氏名】サントシュ クマール
(72)【発明者】
【氏名】ホー チャン
(72)【発明者】
【氏名】ユイピン ホアン
(72)【発明者】
【氏名】ティン プー
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA06
2K102AA08
2K102BA13
2K102BA18
2K102BA31
2K102BB02
2K102BB04
2K102BC01
2K102DA01
2K102DA02
2K102DA10
2K102DA20
2K102DB10
2K102DC09
2K102DD05
2K102DD06
2K102DD10
2K102EA25
2K102EB02
2K102EB06
2K102EB10
2K102EB16
2K102EB20
2K102EB22
2K102EB26
(57)【要約】
光計算システムは、ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、変調マスクに基づいてポンプ・ビームを変調し、変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、ＳＨビーム及びポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、非線形媒質の出力を受信し、ＳＨビーム及びポンプ・ビームの未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、ポンプ・ビームの未変換部分の第１光パワーを検出し、ＳＨビームの第２光パワーを検出するように構成される検出器と、光変調装置へ送信するために、第１及び第２の光パワーに基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラとを含む。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光計算システムであって、ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、
変調マスクを受け取り、前記変調マスクに基づいて前記ポンプ・ビームを変調し、変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、
前記変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、前記ＳＨビーム及び前記ポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、
前記非線形媒質の前記出力を受信し、前記ＳＨビームと前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分の第１光パワーを検出し、前記ＳＨビームの第２光パワーを検出するように構成される検出器と、
前記光変調装置へ送信するために、前記第１及び第２の光パワーに基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラと、
を備える光計算システム。
【請求項2】
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して前記変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を備える、請求項１に記載の光計算システム。
【請求項3】
前記変調マスクは、ランダムな２値位相パターンである、請求項２に記載の光計算システム。
【請求項4】
前記空間光変調装置は、前記ウェーブレットの各々の１つの位相を前記変調マスクに基づいて第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、前記第１及び第２の位相は、１８０度離れている、請求項２に記載の光計算システム。
【請求項5】
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調して前記変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを備える、請求項１に記載の光計算システム。
【請求項6】
前記非線形媒質の内部で前記変調されたビームを集束させるように構成される第１レンズと、前記非線形媒質の前記出力を前記ダイクロイック・ミラーに平行にするように構成される第２レンズとをさらに備える、請求項１に記載の光計算システム。
【請求項7】
前記検出器は、前記ポンプ・ビームの前記未変換部分の前記第１光パワーを検出するように構成される第１光検出器と、
前記ＳＨビームの前記第２光パワーを検出するように構成される第２光検出器とを備え、
前記非線形媒質は、周期分極ニオブ酸リチウム結晶を含む、請求項１に記載の光計算システム。
【請求項8】
前記変調マスクは、複数の画素を含み、前記コントローラは、前記第１及び第２の光パワーに基づいて前記画素のクラスターを識別し、前記画素の前記クラスターの画素を反転させることにより、前記更新された変調マスクを生成するように構成される、請求項１に記載の光計算システム。
【請求項9】
システム・エネルギーの近似的基底状態を決定するために光計算システムを制御する方法であって、ポンプ・ビームを生成するために光源を駆動すること、
位相マスクを生成すること、
前記位相マスクを空間光変調装置に適用して、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して、前記位相マスクに基づいて変調されたビームを生成すること、及び
前記ポンプ・ビームの第１光パワー及び前記ポンプ・ビームに基づいて生成される第２高調波（ＳＨ）ビームの第２光パワーを検出器から受信することを含み、
前記位相マスクを前記生成することは、
前記位相マスクのクラスターを識別すること、
前記第１光パワーに基づいて現在のシステム・エネルギーを決定すること、
少なくとも前記システム・エネルギー及び以前の最小システム・エネルギーに基づいて、前記位相マスクを更新するかどうかを決定すること、及び
前記位相マスクを更新することを決定することに応答して、前記位相マスクの前記クラスターに基づいて前記位相マスクを更新することを含む、方法。
【請求項10】
前記位相マスクを前記生成することは、前記位相マスクを更新しないことを決定することに応答して、前記現在のシステム・エネルギーと前記以前の最小システム・エネルギーのうち小さい方を、前記近似的基底状態として識別することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記位相マスクを前記生成することは、熱エネルギーを識別すること、
前記現在のシステム・エネルギー及び前記以前の最小システム・エネルギーに基づいて、システム・エネルギーの変化を計算すること、及び
前記システム・エネルギーの変化及び前記熱エネルギーに基づいてボルツマン確率を決定することをさらに含み、
前記位相マスクを更新するかどうかを前記決定することは、前記ボルツマン確率にさらに基づく、請求項９に記載の方法。
【請求項12】
前記位相マスクを更新するかどうかを前記決定することは、フィードバック反復回数が閾値未満であることを決定すること、及び
前記位相マスクを更新することを決定することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項13】
光計算システムであって、ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、
変調マスクを受け取り、前記変調マスクに基づいて前記ポンプ・ビームを変調して変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、
前記変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、前記ＳＨビーム及び前記ポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、
前記非線形媒質の前記出力を受信し、前記ＳＨビームと前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を捕捉し、第１強度行列を生成するように構成される第１カメラと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を捕捉し、第２強度行列を生成するように構成される第２カメラと、
前記光変調装置に送信するために、前記第１及び第２の強度行列の少なくとも一方に基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラとを備える、光計算システム。
【請求項14】
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して前記変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を備え、前記変調マスクは、２値位相パターンである、請求項１３に記載の光計算システム。
【請求項15】
前記空間光変調装置は、前記変調マスクに基づいて、前記ウェーブレットの各々の１つの位相を第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、前記第１及び第２の位相は、１８０度離れている、請求項１４に記載の光計算システム。
【請求項16】
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調して前記変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを備える、請求項１３に記載の光計算システム。
【請求項17】
前記コントローラは、カメラ状態を、前記第１強度行列、前記第２強度行列、又は前記第１及び第２の強度行列の加重和として決定すること、及び
前記変調マスク及び前記カメラ状態に基づいて、前記更新された変調マスクを決定することにより、
前記更新された変調マスクを生成するように構成される、請求項１３に記載の光計算システム。
【請求項18】
前記変調マスク及び前記カメラ状態に基づいて前記更新された変調マスクを前記決定することは、前記更新された変調マスクを、前記変調マスクと、前記カメラ状態及びフィードバック・ステップ・サイズの乗算との間の差として決定することを含む、請求項１７に記載の光計算システム。
【請求項19】
前記ポンプ・ビームは、前記光源によって生成されるガウシアン・パルス列のガウシアン・パルスを含み、前記フィードバック・ステップ・サイズは、前記ガウシアン・パルス列の周期性に対応する、請求項１８に記載の光計算システム。
【請求項20】
前記コントローラは、前記更新された変調マスクを生成する前に、前記フィードバック・ステップ・サイズを適応的に調整するように構成される、請求項１８に記載の光計算システム。
【請求項21】
光コンピューティング・システムであって、平坦な位相フロントを有するポンプ・ビームを生成するように構成される光増幅器と、
前記ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、
前記信号から前記ポンプ・ビームをフィルタリングするように構成される光学フィルタと、
前記信号の一部を読み出すように構成される光ビーム・スプリッタと、
前記信号に基づいて第２高調波光を生成するように構成される非線形光学結晶と、
前記信号と前記第２高調波光を分離するように構成される第１デュアルバンド・リフレクタと、
前記第２高調波光を前記光増幅器に結合するように構成される光受信器と、
前記縮退光パラメトリック増幅器へ前記信号と第２高調波光を結合するように構成される第２デュアルバンド・リフレクタとを備える、光コンピューティング・システム。
【請求項22】
第２高調波光を生成するために前記信号を前記非線形光学結晶に集束するように構成される第１フーリエ・レンズと、前記第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの間にあって、前記信号の焦点をぼかすように構成される第２フーリエ・レンズとをさらに備える、請求項２１に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項23】
前記第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの各々は、ダイクロイック・ミラー又は光学フィルタを備える、請求項２１に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項24】
前記信号が前記光コンピューティング・システムを連続的に横切るとき、光パラメトリック発振が起こるまで前記光増幅器の光学利得を増加させる、請求項２１に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項25】
前記縮退光パラメトリック増幅器と前記非線形光学結晶との間で、前記信号が前記非線形光学結晶に到達する前に前記信号を変調して前記光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第１光変調装置をさらに備える、請求項２１に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項26】
前記非線形光学結晶と前記光受信器との間で、前記第２高調波光を変調して前記光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第２光変調装置をさらに備える、請求項２４に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項27】
光コンピューティング・システムであって、平坦な位相フロントを有する増幅された信号を生成するように構成される光増幅器と、
前記増幅された信号を受信し、前記増幅された信号に基づいて第２高調波生成によりポンプ・ビームを生成するように構成される非線形光学デバイスと、
前記ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、
前記ポンプ・ビームを前記信号からフィルタリングするように構成される光学フィルタと、
前記信号の一部を読み出すように構成される第１光ビーム・スプリッタと、
前記信号の前記一部を変調するために前記信号の第１部分を光変調装置に向け、前記信号の第２部分をダイクロイック・ミラーに向けるように構成される第２光ビーム・スプリッタと、
前記信号の前記変調された第１部分を前記光増幅器に結合して前記増幅された信号を生成するように構成される光受信器とを備え、
前記ダイクロイック・ミラーは、前記縮退光パラメトリック増幅器へ前記信号の前記第２部分を前記ポンプ・ビームと結合するように構成される、光コンピューティング・システム。
【請求項28】
前記光変調装置は、空間光変調装置又はデジタル・マイクロミラー・デバイスを備え、前記非線形光学デバイスは、非線形光学結晶又は光導波路を備える、請求項２７に記載の光計算システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連する出願への相互参照
本出願は、２０２０年５月１３日に米国特許商標庁に出願された米国仮特許出願第６３／０２４，２５７号に対する優先権及び利益を主張し、その内容全体を参照により本明細書に援用される。
本出願は、２０２０年５月１３日に米国特許商標庁に出願された米国仮特許出願第６３／０２４，２５７号に対する優先権及び利益を主張し、その内容全体を参照により本明細書に援用される。
【0002】
本開示の実施形態の態様は、概して、組合せ最適化問題を解くための処理システム及びそれを使用する方法に関する。
【背景技術】
【0003】
フォトニック・システムは現在、スピン数が制限されているか、又はスピン－スピン相互作用をエミュレートするための光検出及び電子フィードバックに依存しているにもかかわらず、一時的に多重化されたパルスを備えたファイバ・ループ光パラメトリック発振器キャビティ内の高速でコヒーレントなイジング・マシンなどの複雑なシステムの近似的基底状態を求めるために使用されている。また、空間光変調に基づく線形光学イジング・マシンは、空間光変調装置（ＳＬＭ）上の画素の２値位相としてスピンをコード化することにより、約８０，０００スピンを対象とすることが示された。しかしながら、このマシンは２体相互作用のみに制限される。今のところは、２体相互作用によってダイナミクスを完全に捕捉することができない物理システム及び数値モデルがあり、ｋ－ＳＡＴ（ｋ－ｓａｔｉｓｆｉａｂｉｌｉｔｙ）問題など、多体相互作用の適切な説明が必要である。これは計算上の大きな課題を提示しており、その複雑さ及び量は、中程度の数のスピンであっても、２体相互作用のみのイジング問題の計算上の課題をはるかに超えている。
【0004】
この背景技術のセクションで開示された上記の情報は、本開示の理解を深めるためのものであり、したがって、当業者に既知の先行技術を形成しない情報を含む場合がある。
【発明の概要】
【0005】
本開示の実施形態の態様は、イジング・マシンをエミュレートし、高い接続性、多体相互作用、及び多数のスピンを同時にサポートすることができるシステム及び方法に関する。
【0006】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、変調マスクを受け取り、変調マスクに基づいてポンプ・ビームを変調し、変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、ＳＨビーム及びポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、非線形媒質の出力を受信し、ＳＨビーム及びポンプ・ビームの未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、ポンプ・ビームの未変換部分の第１光パワーを検出し、ＳＨビームの第２光パワーを検出するように構成される検出器と、光変調装置に送信するために、第１及び第２の光パワーに基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラとを含む光計算システムが提供される。
【0007】
いくつかの実施形態では、光変調装置は、ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して、変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を含む。
【0008】
いくつかの実施形態では、変調マスクは、ランダムな２値位相パターンである。
【0009】
いくつかの実施形態では、空間光変調装置は、ウェーブレットの各々の１つの位相を変調マスクに基づいて第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、第１及び第２の位相は、１８０度離れている。
【0010】
いくつかの実施形態では、光変調装置は、ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調し、変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを含む。
【0011】
いくつかの実施形態では、光計算システムは、非線形媒質の内部で変調されたビームを集束させるように構成される第１レンズと、非線形媒質の出力をダイクロイック・ミラーに平行にするように構成される第２レンズとをさらに含む。
【0012】
いくつかの実施形態では、検出器は、ポンプ・ビームの未変換部分の第１光パワーを検出するように構成される第１光検出器と、ＳＨビームの第２光パワーを検出するように構成される第２光検出器とを含み、非線形媒質は、周期分極ニオブ酸リチウム結晶を含む。
【0013】
いくつかの実施形態では、変調マスクは、複数の画素を含み、コントローラは、第１及び第２の光パワーに基づいて画素のクラスターを識別し、画素のクラスターの画素を反転させることにより、更新された変調マスクを生成するように構成される。
【0014】
本発明のいくつかの実施形態によれば、システム・エネルギーの近似的基底状態を決定するために光計算システムを制御する方法であって、ポンプ・ビームを生成するために光源を駆動すること、位相マスクを生成すること、位相マスクを空間光変調装置に適用して、ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調し、位相マスクに基づいて変調されたビームを生成すること、及びポンプ・ビームの第１光パワー及びポンプ・ビームに基づいて生成される第２高調波（ＳＨ）ビームの第２光パワーを検出器から受信することを含み、位相マスクを生成することは、位相マスクのクラスターを識別すること、第１光パワーに基づいて現在のシステム・エネルギーを決定すること、少なくともシステム・エネルギー及び以前の最小システム・エネルギーとに基づいて、位相マスクを更新するかどうかを決定すること、及び位相マスクを更新することを決定することに応答して、位相マスクのクラスターに基づいて位相マスクを更新することを含む、方法が提供される。
【0015】
いくつかの実施形態では、位相マスクを生成することは、位相マスクを更新しないことを決定することに応答して、現在のシステム・エネルギーと以前の最小システム・エネルギーとのうち小さい方を、近似的基底状態として識別することをさらに含む。
【0016】
いくつかの実施形態では、位相マスクを生成することは、熱エネルギーを識別すること、現在のシステム・エネルギー及び以前の最小システム・エネルギーに基づいて、システム・エネルギーの変化を計算すること、及びシステム・エネルギーの変化及び熱エネルギーに基づいてボルツマン確率を決定することをさらに含み、位相マスクを更新するかどうかを決定することは、ボルツマン確率にさらに基づく。
【0017】
いくつかの実施形態において、位相マスクを更新するかどうかを決定することは、フィードバック反復回数が閾値未満であることを決定すること、及び位相マスクを更新することを決定することを含む。
【0018】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、変調マスクを受け取り、変調マスクに基づいてポンプ・ビームを変調して変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、ＳＨビーム及びポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、非線形媒質の出力を受信し、ＳＨビームとポンプ・ビームの未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、ポンプ・ビームの未変換部分を捕捉し、第１強度行列を生成するように構成される第１カメラと、ポンプ・ビームの未変換部分を捕捉し、第２強度行列を生成するように構成される第２カメラと、光変調装置に送信するために、第１及び第２の強度行列の少なくとも一方に基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラとを含む光計算システムが提供される。
【0019】
いくつかの実施形態では、光変調装置は、ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して、変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を含み、変調マスクは、２値位相パターンである。
【0020】
いくつかの実施形態では、空間光変調装置は、変調マスクに基づいて、ウェーブレットの各々の１つの位相を第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、第１及び第２の位相は、１８０度離れている。
【0021】
いくつかの実施形態では、光変調装置は、ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調して変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを含む。
【0022】
いくつかの実施形態では、コントローラは、カメラ状態を、第１強度行列、第２強度行列、又は第１及び第２の強度行列の加重和として決定すること、及び変調マスク及びカメラ状態に基づいて、更新された変調マスクを決定することにより、更新された変調マスクを生成するように構成される。
【0023】
いくつかの実施形態では、変調マスク及びカメラ状態に基づいて更新された変調マスクを決定することは、更新された変調マスクを、変調マスクと、カメラ状態及びフィードバック・ステップ・サイズの乗算との間の差として決定することを含む。
【0024】
いくつかの実施形態では、ポンプ・ビームは、光源によって生成されるガウシアン・パルス列のガウシアン・パルスを含み、フィードバック・ステップ・サイズは、ガウシアン・パルス列の周期性に対応する。
【0025】
いくつかの実施形態では、コントローラは、更新された変調マスクを生成する前に、フィードバック・ステップ・サイズを適応的に調整するように構成される。
【0026】
本発明のいくつかの実施形態によれば、平坦な位相フロントを有するポンプ・ビームを生成するように構成される光増幅器と、ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、信号からポンプ・ビームをフィルタリングするように構成される光学フィルタと、信号の一部を読み出すように構成される光ビーム・スプリッタと、信号に基づいて第２高調波光を生成するように構成される非線形光学結晶と、信号と第２高調波光を分離するように構成される第１デュアルバンド・リフレクタと、第２高調波光を光増幅器に結合するように構成される光受信器と、縮退光パラメトリック増幅器へ信号と第２高調波光を結合するように構成される第２デュアルバンド・リフレクタとを含む光コンピューティング・システムが提供される。
【0027】
いくつかの実施形態では、光コンピューティング・システムは、第２高調波光を生成するために信号を非線形光学結晶に集束するように構成される第１フーリエ・レンズと、第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの間にあって、信号の焦点をぼかすように構成される第２フーリエ・レンズとをさらに含む。
【0028】
いくつかの実施形態では、第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの各々は、ダイクロイック・ミラー又は光学フィルタを含む。
【0029】
いくつかの実施形態では、信号が光コンピューティング・システムを連続的に横切るとき、光パラメトリック発振が起こるまで光増幅器の光学利得を増加させる。
【0030】
いくつかの実施形態では、光コンピューティング・システムは、縮退光パラメトリック増幅器と非線形光学結晶との間で、信号が非線形光学結晶に到達する前に信号を変調して光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第１光変調装置をさらに含む。
【0031】
いくつかの実施形態では、光コンピューティング・システムは、非線形光学結晶と光受信器との間で、第２高調波光を変調して光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第２光変調装置をさらに含む。
【0032】
本発明のいくつかの実施形態によれば、平坦な位相フロントを有する増幅された信号を生成するように構成される光増幅器と、増幅された信号を受信し、増幅された信号に基づいて第２高調波生成によりポンプ・ビームを生成するように構成される非線形光学デバイスと、ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、信号からポンプ・ビームをフィルタリングするように構成される光学フィルタと、信号の一部を読み出すように構成される第１光ビーム・スプリッタと、信号の一部を変調するために信号の第１部分を光変調装置に向け、信号の第２部分をダイクロイック・ミラーに向けるように構成される第２光ビーム・スプリッタと、信号の変調された第１部分を光増幅器に結合して増幅された信号を生成するように構成される光受信器とを含み、ダイクロイック・ミラーは、縮退光パラメトリック増幅器へ信号の第２部分をポンプ・ビームと結合するように構成される、光コンピューティング・システムが提供される。
【0033】
いくつかの実施形態では、光変調装置は、空間光変調装置又はデジタル・マイクロミラー・デバイスを含み、非線形光学デバイスは、非線形光学結晶又は光導波路を含む。
【0034】
添付の図面は、明細書とともに、本開示の例示的な実施形態を示し、明細書本文とともに、本開示の原理を説明するのに役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【0036】
【0037】
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
【発明を実施するための形態】
【0042】
以下に示す詳細な説明は、本開示に従って提供される、組み合わせ最適化問題を解決することが不可能又は困難な場合に解くためのイジング・マシンをエミュレートするためのシステム及び方法の例示的な実施形態の説明として意図されており、本開示が構築又は利用され得る唯一の形態を示すことを意図していない。本明細書は、図示された実施形態に関連して本開示の特徴を示すものである。しかしながら、同一又は同等の機能及び構造が、本開示の範囲内に包含されることも意図される異なる実施形態によって達成され得ることが理解されよう。本明細書の他の場所で示されるように、同様の要素番号は、同様の要素又は特徴を示すことを意図している。
【0043】
明細書全体を通して、用語は、明示的に述べられた意味を超えて、文脈において示唆又は暗示されるニュアンスのある意味を有する場合がある。
【0044】
本発明は、既存の現代のコンピュータを用いて解くことが不可能又は困難な多くの組合せ最適化問題を解くことができる光計算システム／イジング・マシンに関するものである。より詳細には、本発明は、タンパク質の折り畳み及び創薬のための生命科学、ソーシャル・ネットワーキングの影響を研究するための社会学、最大数のエッジを有するカット（ＭＡＸ－ＣＵＴ）を求めるためのグレイピー理論、及びブール満足度（ｋ－ＳＡＴ）を決定するためのコンピュータ・サイエンスなどの分野で組み合わせ最適化問題を解くことができるマシンに関連するものである。さらに、概ね本発明は、上記のような、多体相互作用に根ざした非決定論的、多項式、時間的に困難な問題に関するものである。
【0045】
いくつかの実施形態によれば、本開示のシステム及び方法は、イジング・マシンをホストするために、多数のスピンにわたる全対全接続で、調整可能な２体相互作用、４体相互作用が可能な光計算システム（本明細書では、イジング・マシン／エミュレータとも呼称する）を対象とする。空間光変調装置（ＳＬＭ）を用いて、各スピンのエネルギー（例えば、化学ポテンシャル）及び総エネルギーへの集団寄与を柔軟に制御することができる。ポンプ・パワーとその第２高調波（ＳＨ）パワーを光学的に測定することで、２体及び４体の相互作用をそれぞれエミュレートすることができる。モンテカルロ・ベースの適応型フィードバック・コントローラを利用して、有効スピン・システムを展開し、与えられたイジング問題の近似的基底状態の解を求める。本開示のシステムによってエミュレートされる高次の多体相互作用は、光機械学習のための強力な活性化関数として機能することもできる。行列の乗算、フーリエ変換、及び４体相互作用などの主な計算タスクは、非線形光学システムを介して実行されるか、又は非線形光学システムによってエミュレートされる。本イジング・エミュレータは、ビッグ・データ分析及び量子シミュレーションという他の方法ではアクセスできない領域への道を開く可能性がある。
【0046】
いくつかの実施形態によれば、光計算システムは、非常に多数のスピン、例えば、１００万スピン又はそれ以上を含むイジング・マシンをエミュレートすることができる非線形光学システムを含む。光計算システムは、全対全接続で２体及び４体の相互作用を操作することが可能である。光計算システムは空間光変調装置を利用して、コヒーレントなレーザ・ビーム中のウェーブレットの２値位相値の形でスピンを符号化し、かつ制御し、フーリエ面における非線形結晶中の周波数変換による高次相互作用をエミュレートする。適応的なフィードバック制御により、システムは、全対全接続の多体相互作用を有するイジング・ハミルトニアンの基底状態によく近似した有効スピン構成に展開させることができる。
【0047】
実質的には、光計算システムは、レーザ及び空間光変調装置を用いて与えられた多体問題を符号化し、光学素子及びそれらによって行われる非線形プロセスにより、フーリエ変換、行列乗算、及び非線形相互作用などの計算演算を行う。光計算システムは、光パワーメータ又はカメラに接続されるシングルモード光ファイバを使用して測定を行い、検出された信号を使用して、システムを展開させるための適応できるフィードバック（例えば、モンテカルロ・スピン反転を介して）を提供する。光計算システムは、レーザ、空間光変調装置、光学素子、非線形結晶、シングルモード・ファイバ、及び１つ又は複数のカメラ及び／又はパワーメータを含む。
【0048】
図１は、本開示のいくつかの実施形態によれば、光計算システム１００を示す。
【0049】
光計算システム１００（光ベースの計算システムとも呼称される）は、多数のスピンにわたる化学ポテンシャル、２体相互作用、及び４体相互作用をエミュレートできる非線形光イジング・マシンであってもよい。このように、光計算システムは、計算の実行において光ビームが操作されるものである。
【0050】
いくつかの実施形態によれば、光計算システム（例えば、イジング・エミュレータ）１００は、光源（例えば、レーザ）１０２、空間光変調装置（ＳＬＭ）１０４、非線形媒質（例えば、周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶）１０６、ダイクロイック・ミラー１０８、検出器１１０、及びコントローラ１１２を含む。
【0051】
光源１０２は、ＳＬＭ１０４に入力されるガウシアン・ポンプ・ビームを生成するように構成される。いくつかの例では、光源１０２は、光パルス列を生成する。ＳＬＭ１０４に入射するポンプ・ビームの横方向ＦＷＨＭは、ＳＬＭ１０４のサイズに応じて、約２．６ｍｍ又は別の値であってよい。
【0052】
ＳＬＭ１０４は、変調マスク（例えば、位相マスク）を受け取り、ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調し、位相マスクに基づいて変調された（例えば、空間的に変調された）ウェーブレットを生成するように構成される。いくつかの例では、ＳＬＭ１０４は、１００万画素／スピンを超える位相マスクをガウシアン・ビームに符号化するために充分高い解像度（例えば、１４４０×１０５０画素）を有してもよい。いくつかの実施形態では、位相マスクは、各画素が０又はπの位相値に対応する２値位相マスクである。いくつかの実施形態では、光計算システム１００は、非線形媒質１０６の内側（例えば、中心付近）に変調されたビームを集束するように構成される第１レンズ１０５（例えば、約２００ｍｍの焦点距離を有する集束レンズ）をさらに含む。
【0053】
いくつかの実施形態では、温度安定化ＰＰＬＮ結晶であってもよい非線形媒質１０６は、非線形プロセスを実行し、変調されたポンプ・ビームに基づいて２次高調波（ＳＨ）ビームを生成するように構成される。ＳＨ生成は、スピン間の有効な相互作用を実現する。いくつかの例では、ＰＰＬＮ結晶は、約１９．３６μｍの分極周期及びＳＨ生成のための約１ｃｍの長さを有してもよい。結晶内のポンプ・ビームのウエストは約４５μｍであってもよい。
【0054】
光計算システムは、第２レンズ（例えば、コリメーション・レンズ）１０７を利用して、非線形媒質１０６が出力するＳＨビーム及び残存ポンプ・ビーム（すなわち、未変換ポンプ・ビーム）をダイクロイック・ミラー１０８に平行にさせる（例えば、整列させる）。いくつかの実施形態では、ダイクロイック・ミラー１０８（又は二波長リフレクタ）は、非線形媒質１０６の平行出力をフィルタリングしてＳＨビーム及び残存／未変換ポンプ・ビームとを切り離す（例えば、空間的に分離する）ように構成され、これらは、ファイバ・カプラ／コリメータ（例えば、非球面レンズ）１１１ａ及び１１１ｂを用いてシングルモード・ファイバ（ＳＭＦ）１０９ａ及び１０９ｂに結合することができる。いくつかの実施形態では、検出器１１０は、ＳＭＦ１０９ａ及び１０９ｂにそれぞれ結合される２つの光パワーメータ（例えば、フォトダイオード）１１０ａ及び１１０ｂを含み、これらはＳＨビーム及び残存ポンプ・ビームの光パワーを別々に測定する。
【0055】
いくつかの実施形態では、光計算システムは、測定されたポンプ・パワーを使用して、２体（すなわち、スピン－スピン）相互作用に関連するエネルギーをエミュレートし、測定されたＳＨパワーを使用して、スピン間の４体相互作用を捕捉する。総ポテンシャル・エネルギー（例えば、総化学ポテンシャル・エネルギー）は、ＳＬＭ１０４で符号化される全てのスピンの加重和である。次に、コントローラ１１２は、測定ポンプ及びＳＨパワーに基づいてＳＬＭ１０４における位相マスクを更新し、イジング問題が光計算システム１００によってエミュレートされる最適基底状態の解又はその近似を反復して求める。
【0056】
ある実施形態によれば、検出器１１０は、多くの画素を有する２つのＣＣＤカメラを使用して、ポンプ・ビーム及びＳＨビームの空間光パワーを測定する。次に、コントローラ１１２は、ＣＣＤカメラの結果をＳＬＭ１０４の次の反復ステップへの入力として使用する。
【0057】
他の実施形態では、フィードバック制御は光ループを使用して実施され、空間光変調装置は非線形光学デバイスによって置き換えられる。
【0058】
光計算システムの有効ハミルトニアンは、以下のように表される。
【0059】
Ｈ＝αＨ１＋βＨ２＋γＨ４ 式（１）
【0060】
ここで、α、β、及びγは、ハミルトニアンの調整可能なパラメータであって、Ｈ１、Ｈ２、及びＨ４は、それぞれ、化学ポテンシャル、２体相互作用、及び４体相互作用を表す。これらは次のように表すことができる。
【0061】
【数1】
【0062】
【数2】
【0063】
【数3】
【0064】
ここで、光源１０２は、ピーク振幅Ｅ０及びビーム・ウエストｗｐを有する波長λｐのガウシアン・ポンプ・ビームを生成する。ポンプ・ビームは、位相マスクが（ｘ′ｍ,ｙ′ｍ）を中心とするｍ×ｎ個の画素（ｍ，ｎ）からなるＳＬＭ１０４に入射する。ＳＬＭ１０４の直後の横電界は、
【0065】
【数4】
【0066】
ここで、
は画素（ｍ，ｎ）における振幅であり、ＩＩは幅ａの矩形関数であり、及びσｍｎ＝±１（２値位相変調）である。
【数5】
【0067】
焦点距離Ｆのフーリエ・レンズは、長さＬの周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶の中心での電界を変換することができ、次のようになる。
【0068】
【数6】
【0069】
式（６）
【0070】
ここで、
κｐ＝２πｎｐ／λｐ、及びｎｐはＰＰＬＮ結晶におけるポンプの屈折率である。ＳＭＦ１０９ａ及び１０９ｂには近軸光のみが結合されるので、それは、
となり、上式は次のように簡略化される。
【数7】
【数8】
【0071】
【数9】
【0072】
縮約表記を用いることにより、
【0073】
【数10】
【数11】
【0074】
【数12】
【0075】
非線形媒質１０６の内部におけるポンプ・ビーム及びＳＨビームのダイナミクスは、以下の式で評価することができる。
【0076】
【数13】
【0077】
【数14】
【0078】
ここで、
は、屈折率ｎＳＨを有する結晶中のＳＨ光の波数であり、ωＳＨはＳＨ光の周波数であり、△κ＝２κｐ－κＳＨ－２π／Λは分極周期Λを有する位相不整合である。ポンプが枯渇しておらず、回折が無視できるほど小さい位相整合条件を仮定すると、
【数15】
【0079】
【数16】
【0080】
ここで、
である。非線形媒質１０６の出力では、ポンプ波及びＳＨ波は、各々、シングルモード・ファイバに結合され、光パワーメータ（例えば、フォトダイオード）１１０ａ及び１１０ｂで検出される。ポンプ波及びＳＨ波の光パワーは、それぞれ、
【数17】
【0081】
【数18】
【0082】
、及び
【0083】
【数19】
【0084】
ここで、
は、それぞれ、ビーム・ウエスト
及び
の正規化された逆伝播ファイバ・モードである．
【数20】
【数21】
【数22】
【0085】
したがって、ポンプ波及びＳＨ波の検出された光パワーは、
【0086】
【数23】
【0087】
、及び
【0088】
【数24】
【0089】
ここで、
及び
である。
【数25】
【数26】
【0090】
このように
【0091】
【数27】
【0092】
及び
【0093】
【数28】
【0094】
ここで、
及び
は、それぞれ、２体及び４体の相互作用の項を表す。
【数29】
【数30】
【0095】
ここで、全てのスピン並びにその２体及び４体の相互作用を含むシステムの総エネルギーは、次のように定義される単一のパラメータによって特徴づけることができる。
【0096】
Ｅ＝αＣ＋βＰｐ＋γＰｈ′ 式（１８）
【0097】
ここで、α、β、及びγは、それぞれ、化学ポテンシャル、２体、及び４体の相互作用エネルギーの寄与を定義する自由パラメータである。自由パラメータを適切に設定することで、光計算システム１００は、イジング問題をモデル化することができる。
は、化学エネルギーを表すスピンの加重和であり、局所化学ポテンシャルは、
である。式（１８）は、基底状態の解を求めるためのシステムの式（１）で定義される有効ハミルトニアンと等価である。システムの磁化は、
と定義することができる。システムの総エネルギーの最小値又は最小値の近似値を求めるために、コントローラ１１２は、適応フィードバックを通じて、ＳＬＭ１０４における位相マスクを反復的に更新（例えば、最適化）する。
【数31】
【数32】
【数33】
【0098】
図２は、本開示のいくつかの実施形態によれば、光計算システム１００を制御してシステム・エネルギーの近似的基底状態を識別するプロセス２００を示している。プロセスのステップの順序は固定されておらず、当業者によって認識されるように、修正、順序の変更、異なる実行、順次に一斉にもしくは同時に実行、又は任意の所望の順序に変更することができることを理解されたい。
【0099】
ブロック２０２では、コントローラ１１２は、光源１０２を駆動して１次ポンプ・ビームを生成し、ランダムな２値位相マスクであってもよい初期位相マスクを生成する。さらに、コントローラ１１２は、初期位相マスクをＳＬＭ１０４に適用してポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して初期位相マスクに基づいて変調されたビームを生成する。
【0100】
ブロック２０４では、コントローラ１１２は、システムのエネルギーが式１８を介して、光計算システム１００によってエミュレートされることを定義する。そうすることで、コントローラ１１２は、イジング問題が光計算システム１００によってエミュレートされることをモデル化するために、自由パラメータα、β、及びγを決定して化学ポテンシャル、２体、及び４体の相互作用エネルギーの寄与をそれぞれ定義する。
【0101】
ブロック２０６では、コントローラ１１２は、システムのサイズｓ及び熱エネルギーτを有する位相マスク内の画素のクラスターを定義する（例えば、ランダムに選択する）。いくつかの実施形態では、位相マスクは、ｓ個の画素を有する正方形又は長方形の形状を有してもよい。しかしながら、本開示の実施形態はこれに限定されず、クラスターは任意の適切な形状を有してもよい。ここで、熱エネルギーτは、単にこの最適化アルゴリズムのパラメータであってもよいし、物理量でなくてもよい。
【0102】
ブロック２０８では、コントローラ１１２は、検出器１１０から、１次ポンプ・ビームの第１光パワー及びＳＨビームの第２光パワーを受信する。
【0103】
ブロック２１０では、コントローラ１１２は、第１及び第２の光パワー並びにブロック２０４で決定された自由パラメータα、β、及びγに基づいて、式１８を用いて現在のシステム・エネルギーＥｎｅｗを決定する。コントローラ１１２は、システム・エネルギーの変化Ｕを、現在のシステム・エネルギーと以前の最小システム・エネルギーＥｏｌｄとの間の差（Ｕ＝Ｅｎｅｗ－Ｅｏｌｄ）として計算する。コントローラ１１２は、ボルツマンの確率Ｐ＝ｅｘｐ（－Ｕ／τ）をさらに決定する。
【0104】
ブロック２１２及び２１４では、コントローラ１１２は、ＳＬＭにおける位相マスクを更新するか否かを決定する。その際、ブロック２１２では、コントローラは、現在のシステム・エネルギー及びボルツマン確率に基づく最適化基準が満たされるかどうかをチェックする。システム・エネルギーの変化Ｕが負である場合（すなわち、現在のシステム・エネルギーＥｎｅｗがこれまでに計算された最も低いシステム・エネルギーである）、又はボルツマン確率Ｐが０と１の間の実数値であるランダムな変数Ｆより大きい場合、この基準は満たされる。これらの条件のいずれも満たされない場合、コントローラ１１２は、ブロック２１６で、新しい位相マスクを更新することを決定する。そうすることで、コントローラ１１２は、以前の位相マスクのサイズｓ（ブロック２０６）のランダムに選択されたクラスター内のスピンを反転させることにより、新しい位相マスクを生成する。最適化基準が満たされる場合、コントローラはまた、反復回数（例えば、フィードバック反復回数）が閾値（例えば、１２００）未満であるかどうかを判断する。そうである場合、コントローラ１１２は、ブロック２１６で位相マスクを更新するように進む。
【0105】
コントローラ１１２が位相マスクをさらに更新しないことを決定する場合、ブロック２１８において、コントローラ１１２は、結果を収集して現在のシステム・エネルギーと以前の最小システム・エネルギーとのうち小さい方を近似的基底状態として識別する。
【0106】
このようにして、総エネルギー量を低減する（例えば、最小化する）ために、コントローラ１１２は、モンテ・カルロ法に従って、サイズｓのランダムに選択されたクラスター内の全てのスピンを適応的に反転させる。各反復において、反転したスピンは、エネルギー変化関数Ｕ及びボルツマン確率Ｐ＝ｅｘｐ（－Ｕ／τ）に従って受け入れ又は拒絶され、ここでＵ＝Ｅｎｅｗ－Ｅｏｌｄはスピン反転によるエネルギーの変化であり、τは熱エネルギーである。極小でのトラッピングを避けるため、反復の間のクラスター・サイズｓと熱エネルギーの両方を変化させる。
【0107】
【0108】
図３は、純粋な４体相互作用及び８００×８００スピンの全対全接続、すなわちα＝０及びβ＝０（参照、式１８）に対する結果を示している。図３Ａは、γ＝―１に対するＳＨビーム・パワーの展開をプロットしたもので、この場合、システムの基底状態が最大のＳＨパワーに相当する。この場合、システムは強磁性同様な振る舞いを示す。反対に、図３Ｂは、ＳＨパワーを最小にして基底状態を求めるために、γ＝１の場合のＳＨパワーの展開をプロットしたものである。検出可能なＳＨパワーの最小値は、光センサーの限界値（～５ｎＷ）に近い。この例では、システムは常磁性同様な状態に展開する。図３Ａと図３Ｂの両方において、図に表示されるデータが異なる初期位相マスク（異なるランダムなスピン構成に対応する）から開始されているにもかかわらず、システムは基底状態の解を求めるように展開する。このことは、本発明の実施形態に従って作製された機械が、その基底状態の近傍に確実かつ効率的に展開できることを示している。
【0109】
図４は、８００×８００スピン、すなわち、α＝０、β＝－１、及びγ＝０での２体相互作用及び全対全接続を示している。図４Ａは、ポンプ光パワーの展開を示している。ポンプ・パワーが増加すると、それは総エネルギーＥを最小化するようにシステムを展開させる。図４Ｂは、磁化Μの展開を示している。α＝０のとき、全てのスピンが反転してもシステム・エネルギーは変化しないため、自発的な対称性の破れが生じる。したがって、フィードバック制御により、スピンは等確率で正又は負の磁化状態のどちらかに最適化される。これは、図４Ｂにおいて明らかで、磁化は両方に傾いている。
【0110】
図５は、８００×８００スピンの最適化に対して、α＝－１、β＝－１、及びγ＝－１とした場合の測定結果を示している。結果は、パワーの対数スケール対反復回数で示されている。図５Ａ及び５Ｂは、４つの異なる初期位相マスクに対するＳＨパワー及びポンプ・パワーの展開をプロットしている。図５Ｃは、システムの対応する磁化をプロットしている。図５Ｄは、初期及び最終の位相マスクを示し、黒及び白の画素は、それぞれ、正及び負の配向スピンを示す。図５Ｄ（１）～（４）は、異なる入力２値スピン構成でのＳＨパワー及びポンプ・パワーの評価を表している。全ての場合において、これらの結果は、ポンプ及びそのＳＨの光パワーは、与えられたイジング問題の基底状態の解に属する最適値に収束していることを示している。
【0111】
図６は、α＝１、β＝－０．５、及びγ＝－１の場合の結果を示している。図６Ａ及び６Ｂは、それぞれ、ポンプ・パワー及びＳＨパワーの展開を示し、図６Ｃは、システムの対応する磁化をプロットしたものである。ポンプ・パワーとＳＨパワーの両方が反復回数とともに増加するにつれて、磁化は負方向に最適化された値を獲得する。図６Ｄは、初期及び最終の位相マスク・パターンを示し、位相マスク・パターンの黒色及び白色の領域は、それぞれ、正及び負の配向スピンを示す。図６Ｄの（１）～（３）は、異なる入力２値位相マスクを用いたＳＨパワー及びポンプ・パワーの評価を表している。これらの結果は、光イジング・マシンが与えられたイジング問題の近似的基底状態の解を求めることができることを示している。
【0112】
図７は、本開示のいくつかの実施形態によれば、自己緩和型フィードバック機構を利用する光計算システム７００を示している。図７のシステム７００は、変調装置７０４、カメラ７１０ａ及び７１０ｂ、並びにコントローラ７１２を除いて、図１のシステム１００と実質的に類似している。したがって、説明を容易にするために、システム１００と７００の両方に共通する構成要素は、本明細書では再び説明されない場合がある。
【0113】
図７を参照すると、いくつかの実施形態によれば、ガウシアン・ポンプ・レーザ・ビーム（例えば、波長１５５１．５ｎｍにおいて）は、変調装置７０４に入射し、変調装置７０４は入射ポンプ・ビームの位相を変調するためのＳＬＭ１０４であってもよいし、入射ポンプ・ビームの強度を変調するためのデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）であってもよい。ダイクロイック・ミラー１０８は、未変換／残存ポンプ・ビーム（赤外線ビームであってもよい）からＳＨ光（例えば、波長７７５．７５ｎｍにおいて）を分割するように設置される。いくつかの実施形態では、第１カメラ７１０ａ（例えば、赤外線カメラ）は、ダイクロイック・ミラー１０８から未変換／残存ポンプ・ビームの強度を捕捉し、第２カメラ７１０ｂ（例えば、可視光カメラ）は、ダイクロイック・ミラー１０８からＳＨビームの強度を捕捉する。第２カメラ７１０ｂによって捕捉されるＳＨ光は、様々な４体相互作用ハミルトニアンを模倣することができる。第２カメラ７１０ｂにおける画素の行列によって捕捉されるような強度行列／パターンは、以下のように書くことができる。
【0114】
【数34】
【0115】
ここで、
は、４体相互作用の強度である。一方、第１カメラ７１０ａによって捕捉される未変換光は、第１カメラにおける強度行列／パターンが次式となる２体相互作用をエミュレートすることができる。
【数35】
【0116】
【数36】
【0117】
２つのカメラは個別に動作することができるし、又は、それらの加重和であるαＩ２（ｘ，ｙ）＋βＩ４（ｘ，ｙ）を算出して自己緩和型フィードバックを実施することもできる。カメラ７１０ａ及び７１０ｂの各画素における強度の読み取り値は、量子化されたグレイスケール値である。コントローラ７１２は、カメラ７１０ａ及び７１０ｂからの画像（又は強度行列）を処理し、変調装置（例えば、ＳＬＭ又はＤＭＤ）７０４を制御して、変調装置７０４における位相又は強度マスクを新しい位相又は強度情報により更新する。
【0118】
いくつかの実施形態によれば、光計算システム７００は、４体相互作用を光ループに組み込んで、望ましいスピン構成に自動的に展開できる自己緩和型イジング・マシンを形成する。そうすることで、光計算システム７００は、量子システムの虚時間発展を利用して、自己緩和型フィードバックを実現する。このことを説明するために、時刻ｔ＝０における変調装置７０４での位相／強度情報／状態を｜ψ(０)＞及びシステム７００全体のハミルトニアンをＨ（位相／強度変調、光学系でのビーム伝播、第２高調波生成、カメラでの強度測定、及び画素値の任意の数値処理を含む）と仮定すると、時刻ｔでの状態は次のようになる。
【0119】
【数37】
【0120】
数学的な観点から、実数値の時間ｔは虚数値－ｉｔに置き換えることができる。すると、状態は、
となる。初期状態｜ψ（０）＞は、異なる固有状態、
の１次結合であるランダムな状態である。したがって、時刻ｔにおける状態は次のように表すことができる。
【数38】
【数39】
【0121】
【数40】
【0122】
低固有状態はより低い固有値を有する、すなわち、Ｅ０＜Ｅ１＜Ｅ２＜・・・であることが知られている。したがって、時間が経つにつれて、基底状態｜０＞は、その崩壊定数Ｅ０が最も遅い崩壊速度に寄与することから、他の状態に比べて際立つことになる。いくつかの実施形態では、量子状態は展開の各ステップの後で再正規化される。
【0123】
図８は、本開示のいくつかの実施形態によれば、コントローラ７１２により状態更新の一例を示している。
【0124】
図８の例では、時刻ｔにおける変調装置状態は｜ψ（ｔ）＞で、フィードバック・ループ間の時間ステップはｄｔである。したがって、カメラ状態Ｉ４（ｘ，ｙ，ｔ）は、Ｈ｜ψ（ｔ）＞と書き表すことができる。時刻ｔ＋ｄｔでの新しい状態は、
で、時間ステップｄｔは充分に小さいので、そのため指数関数的拡大の高次を無視することができる。
【数41】
【0125】
【数42】
【0126】
すると、次のようになる。
【0127】
【数43】
【0128】
したがって、新しい変調装置の状態（｜ψ（ｔ＋ｄｔ）＞）は、以前の変調装置の状態｜ψ（ｔ）＞とｄｔ倍のカメラ状態（Ｈ｜ψ（ｔ）＞）の間の差として表すことができる。
【0129】
起動時に、コントローラ７１２は、ランダムな状態｜ψ０＞を初期変調装置の位相状態として選択する。非線形結晶を通過した後、アップコンバートされた光（すなわち、ＳＨビーム）及び未変換光（すなわち、残存ポンプ・ビーム）は、カメラ７１０ａ及び７１０ｂによって検出される。問題が光計算システム７００によってエミュレートされることに応じて、コントローラ７１２は、全カメラ状態｜φ０＞を、第１カメラ７１０ａ及び第２カメラ７１０ｂの一方からの強度行列（すなわち、Ｉ２（ｘ，ｙ）又はＩ４（ｘ，ｙ））、又は、強度行列の加重和（すなわち、αＩ２（ｘ，ｙ）＋βＩ４（ｘ，ｙ））として計算する。
【0130】
いくつかの実施形態によれば、コントローラ７１２は、新しい状態を｜ψ１＞＝｜ψ０＞－Δｔ｜ψ０＞として計算し、それを初期状態、
によって正規化することにより変調装置の位相状態を更新することを決定する。したがって、コントローラ７１２は、次のループ反復の新しい変調装置の状態位相を次のように決定する。
【数44】
【0131】
【数45】
【0132】
ここで、フィードバック・ループの時間ステップΔｔは、数値誤差を低減又は最小化するのに充分な小ささである。いくつかの例では、フィードバック・ステップ・サイズΔｔは、光源１０２のパルス列の周期性を表す。いくつかの実施形態では、コントローラ７１２は、光計算システム７００のダイナミクスが加速され又はより遅くされる場合があるので、Δｔを適応的に調整して自己緩和を可能にする。ステップ・サイズは、式（２２）でなされる近似が有効であるように選択することができる。
【0133】
いくつかの実施形態によれば、光計算システムは、そのスピンを自動的に整列させてその相互作用エネルギーを最大化又は最小化することができる。
【0134】
図９Ａは、本開示のいくつかの実施形態によれば、光フィードバックを利用する光計算システム９００を示している。
【0135】
図９の例では、光ループを使用して、最も高い４体相互作用エネルギーを有するスピン構成のみが光発振条件を満たし、ビルドアップするフィードバックを提供する。光ループは、光増幅器（ＯＡ）９０２から始めて、平坦な位相フロントを有する第２高調波波長で弱いポンプ・ビームを生成して、縮退光パラメトリック増幅器（ＤＯＰＡ）９０４を駆動する。ＤＯＰＡ９０４は、β硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶、チタニルリン酸カリウム（ＫＴＰ）結晶、又は周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶などの２次非線形性の位相整合又は擬似位相整合光媒質であってもよい。ＤＯＰＡ９０４では、ポンプ・ビームは、その波長の２倍の信号波を生成し、かつ増幅する。ポンプ・ビームは幅広であり、それゆえ、ＤＯＰＡ９０４内部での回折が少ない、さらにポンプ・ビームの横方向断面にわたって、各々がスピンを表す多数の信号ウェーブレットが独立して生成／増幅される。
【0136】
ＤＯＰＡ９０４の後、ポンプ光は、バンドパス・フィルタ、エッジ・フィルタ、ダイクロイック・ミラー、又は同種のものであり得るフィルタ９０６を用いてフィルタリング／除去され、信号は、第１フーリエ・レンズ９０８を用いて第２高調波生成（ＳＨＧ）デバイス９１０に集束される。ＳＨＧデバイス９１０は、ＢＢＯ結晶、ＫＴＰ結晶、又はＰＰＬＮ結晶などの２次非線形性の位相整合又は準位相整合光媒質であり得る。ＳＨ生成の間、スピン間の有効な相互作用が実現され、第２高調波光が創出される。出力において、残存するポンプ信号及び生成されたＳＨ光は、その趣意で第１デュアルバンド・リフレクタ（例えば、第１ダイクロイック・ミラー（ＤＭ）又は光学フィルタ）９１２又は他の任意の光学デバイスで分離される。次に、残存ポンプ信号は、集束を元に戻すために第２フーリエ・レンズ９１４に通される。次に、残存ポンプ信号は、第２デュアルバンド・リフレクタ（例えば、第２ダイクロイック・ミラー又は光学フィルタ）９１６を介してＤＯＰＡ９０４に向けられる。他方、ＳＨ光は、光ファイバ又は自由空間光学系による平行ビームであってもよい光受信器（ＯＲ）９１８によって収光される。次に、ＳＨ光は、ＯＡ９０２によって増幅され、残存ポンプ信号と組み合わされ、新しいポンプとしてＤＯＰＡ９０４に向けられる。このループは、安定した結果が創出されるまで何度も実行され、その際、信号は、ビーム・スプリッタ（ＢＳ）９２０を介して読み取られ、横方向プロファイルにわたってそのスピンが測定される。ここで、信号が光コンピューティング・システムを連続的に横切るとき、光パラメトリック発振が起こるまで光増幅器の光学利得が増加される。
【0137】
この光学構成では、ＤＯＰＡ９０４は、縮退光パラメトリック増幅によって、ポンプ・ビームの断面にわたって信号ウェーブレットを生成し、かつ増幅する。ポンプ・ビームは平坦な位相フロントを有するので、各空間グリッド（すなわち、画素）において生成された信号ウェーブレットは、ポンプ光と同じ位相を有することができ、逆もまた同様である。この機構により、信号ウェーブレットの離散的な位相が定義され、その結果、各々がスピン・アップ（ポンプに対して０位相）又はスピン・ダウン（ポンプに対してπ位相）を表すことができる。当初は信号がなく、ＤＯＰＡ９０４は真空ノイズが増幅される量子プロセスとして理解することができる。真空ノイズは、全ての可能なスピン構成を含んでいる。増幅された真空ノイズはフィルタリングされ、その後、ポンプが捨てられる。その後、それらはＳＨ生成のため２次非線形結晶に集束される。ＳＨ生成時に創出され得る第２高調波の光量は、スピン構成に依存する。実際、その強度は、スピンの４体相互作用のエネルギーとして書くことができる。次に、得られた第２高調波信号は、ＯＡ９０２によって増幅され、ＤＯＰＡ９０４のためのポンプを創出し、次のラウンドの間に信号を増幅する。このループは連続的に実行される。
【0138】
このようにして、光計算システム９００は、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を効果的に実現するが、ここでは、光学利得がＳＨ生成及び光増幅の中間ステップを通して実現されることが区別される。動作時、ＯＡ９０２の光学利得は、最初の光パラメトリック発振信号が現れるまで、すなわち、強く安定した信号を読み出すことができるまで、ゆっくりと増加させてもよい。このような場合、４体相互作用を最大化するために、信号を望ましいスピン構成で準備することになる。他の構成では第２高調波光の生成が少なくなるため、それ故、実効的なＯＰＯ利得が小さくなるからである。ＯＰＯでは、各光ループの間の光学利得が純損失よりも大きいことが要求されるので、ＯＡ利得をゆっくりと増加させることにより、望ましいスピン構成の光学利得が純損失をちょうど超えたときに最初のＯＰＯ信号だけが現れることになる。他の全てのスピン構成では、利得よりも損失が大きくなるため、これらの他のスピン構成では光発振は不可能である。ここで、ＯＰＯが起こる前にＤＯＰＡプロセスは、全ての可能なスピン構成において、真空ノイズの増幅として理解することができる。
【0139】
１つのスピン構成のみが存在することをさらに確実にするために、光パワー飽和限界の下で動作するようにＯＡを設定することができ、すなわち、出力パワーが限界に達した場合、ＯＡは増幅を停止する。このようにして、望ましいスピン構成に対してＯＰＯが確立された後、信号とポンプ・パワーの両方が増加してＯＡを飽和させ、その結果、他のスピン構成に対する有効利得が減少する。
【0140】
いくつかの実施形態では、信号のスピン構成は、最初に信号を平坦な位相フロントを有する局所発振器と干渉させ、次にＣＣＤカメラを用いて信号を測定することによって、読み出すことができる。いくつかの実施形態では、信号は、フーリエ・レンズなどの線形光学素子を通過させることができ、その結果、そのスピン構成は異なるモード・ベースで測定することができる。
【0141】
いくつかの実施形態では、光ループは、任意の熱的、機械的、又は他のドリフトに対して安定化される。安定化は、フィードバック制御機構を通じて実現することができる。
【0142】
いくつかの実施形態によれば、有効相互作用ハミルトニアンは、関心のある実際的な問題をモデル化するために修正される。これは、ＳＨＧの前に信号に光変調を適用すること、及び／又は、光変調がＯＲによって収光される前に、生成された第２高調波光に変調を適用することによって実現することができる。この選択は、図９Ｂに描かれている。光計算システム９００－１において、ポンプ（ＭＰ）用の光変調装置９２２及び信号（ＭＳ）用の光変調装置９２４の変調は、位相変調、振幅変調、又はその両方の形態であり得る。変調は、空間光変調装置、デジタル・マイクロミラー・デバイス、又はそれら２つの組み合わせを用いて実現することができる。ポンプ光に対しては、変調をシングルモード・ファイバに結合するなど、変調を他の手段で効果的に実現することができる。
【0143】
図９Ａ及び９Ｂは、スピン構成を最適化することにより４体相互作用を最大化する方法を具体的に説明している。ＤＯＰＡのポンプ・パワーを第２高調波光の検出パワーに反比例させることにより、同様のスキームは４体相互作用を最小化するように開発することができる。
【0144】
４体相互作用を最大化又は最小化することに加えて、同じ原理を使用して２体相互作用を最大化又は最小化するスピン構成を求めることができる。
【0145】
図１０は、図９Ａの基本構造に従うが、ＳＨＧ９１０を通過することなく信号が部分的に分割され、直接検出される、そのような例を提示するものである。有効２体相互作用ハミルトニアンを変調するために、信号は、検出される前に、光変調装置（ＭＳ）９２４によって変調される。いくつかの実施形態では、この変調は必要ではなく、回避してもよい。検出された信号は、ＤＯＰＡ９０４を駆動するために、平坦な位相フロントを有するポンプを創出する。いくつかの実施形態では、これは、図９Ｂに示すように、最初に信号パワーを増幅し、次にそれの周波数を２倍にすることによって実現される。いくつかの実施形態では、信号は光検出され、得られた電子信号を使用して、調整可能な利得レーザ光源又は固定利得レーザ光源のいずれかを使用するが、調整可能なビーム・スプリッタ又は可変パワー減衰器を使用して、ＤＯＰＡを駆動するためにポンプ・パワーを制御する。
【0146】
図１０に示されるように、いくつかの実施形態によれば、光計算システム１０００は、平坦な位相フロントを有する増幅された信号を生成するように構成される光増幅器（ＯＡ）９０２と、増幅信号を受信し、増幅信号に基づいて第２高調波の生成を通じてポンプ・ビームを生成するように構成される非線形光学デバイス（ＳＨＧ）９１０と、ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器（ＤＯＰＡ）９０４と、信号からポンプ・ビームをフィルタリングするように構成される光学フィルタ（ＦＴ）９０６と、信号の一部を読み出すように構成される第１光ビーム・スプリッタ（ＢＳ）９２０と、信号の一部を変調するために信号の第１部分を光変調装置（ＭＳ）９２４に向け、信号の第２部分をダイクロイック・ミラー（ＤＭ）９１６に向けるように構成される第２光ビーム・スプリッタ９２１と、増幅された信号を生成するために光増幅器９０２に信号の変調された第１部分を結合するように構成される光受信器（ＯＲ）９１８を含む。ここで、ダイクロイック・ミラー９１６は、縮退光パラメトリック増幅器へ、信号の第２部分とポンプ・ビームを結合するように構成される。いくつかの実施例によれば、光変調装置９２４は、空間光変調装置又はデジタル・マイクロミラー・デバイスであってもよいし、非線形光学デバイス９１０は、非線形光学結晶又は光導波路であってもよい。
【0147】
いくつかの実施形態では、２体及び４体の相互作用のスキームを組み合わせて、一方の相互作用を最大化又は最小化するスピン構成を求めることができ、一方、また他方の相互作用を最大化又は最小化、あるいは２つの加重和を最大化又は最小化するスピン構成を求めることができる。
【0148】
本明細書に開示された光計算システムは、２体及び４体の相互作用のみをサポートするが、和周波、４波混合、及び高次高調波生成などの非線形光学の他のプロセスを採用して、さらに高次の相互作用を実現することができ、その計算複雑さ及び強度は、既存の計算プラットフォームの能力を超えて急速に成長する可能性がある。
【0149】
ＮＰ困難な問題をイジング・モデルにマップする例：
【0150】
多くのＮＰの困難な問題は、グラフにスケッチすることができ、これらのグラフはイジング・モデルにマップすることができる。以下は、分割グラフ問題をイジング問題にマップする例である。
【0151】
Ｖ個の頂点及びＥ個のエッジを持つＮ個のノードを有する単純な無向グラフＧ＝（Ｖ，Ｅ）を考えると、問題は、そのノードの集合を分割することによりグラフを“ｍ”個の部分グラフに分割することができる。グラフをＮ個のノードを持つ部分グラフに分割する方法はｍ（Ｎ－１）-１通りある。頂点Ｖ＝Ｖ０ＵＶ１ＵＶ２．．．ＵＶｍ－１の分割を最適に計算するためには、以下の条件を満たす必要がある。
【0152】
１）｛Ｖｉ｝は共通の要素を持たない→Ｖｉ∩Ｖｊ＝Φ
【0153】
２）全ての｛Ｖｉ｝はほぼバランスしている→｜Ｖｉ｜～｜Ｖｊ｜。
【0154】
３）カット・エッジの数は最小／最大であること、すなわち、｜Ｅｃｕｔ｜Ｍｉｎ／Ｍａｘ＝｛（ｕ，ｖ）｜ｕεＶｉ，ｖεＶｊ，ｉ≠ｊ｝とする。
【0155】
ノード数が多い場合のグラフ分割の厳密解を求めることは、ＮＰ組合せ最適化問題である。簡単のために、５個のノードは６個のエッジが重みｗｉｊを運んで接続されるグラフを考えることができ、ここで、図１１Ａに示すように、ｉ≠ｊはノードであり、ｗｉｊ＝ｗｊｉ＞０である。このグラフを２つの部分グラフに切り分け、最大数のエッジが通るカットを求める方法がいくつかある。それらのうちの２つを図１１Ｂ及び図１１Ｃに示す。グラフが分割されると、値Ｓｉ＝｛＋，－｝を分離された部分グラフのノードに割り当ててもよい。カットのコスト関数は、
と表すことができ、ここで、
の値は、ｉ，ｊが同じ部分グラフにあれば０、それ以外は１である。コスト関数は、次のように書き換えることができる。
【数46】
【数47】
【0156】
【数48】
【0157】
マックス・カットの解は、コスト関数の第２項を最小化することによって求めることができる。これは、コスト関数の最小化が、イジング・ハミルトニアンのエネルギーの最小化と等価であることを示す。
【0158】
ペアワイズ及び高次の相互作用を有するイジング・モデルは、統計物理学及び機械学習における活発な研究領域である。本開示のいくつかの実施形態によれば、多数のノード及び全対全接続を有する非線形光学システムは、これらの問題をとても速く解決するための実行可能な解決策である。
【0159】
コントローラなどの本開示の光計算システムの構成要素によって実行される動作は、データ又はデジタル信号を処理するために採用される、ハードウェア、ファームウェア、及びソフトウェアの任意の組み合わせを含むことができる“処理回路”又は“プロセッサ”によって実行されてもよい。処理回路ハードウェアは、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、汎用又は特殊用途向け中央処理装置（ＣＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、及びフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブル・ロジック・デバイスを含んでもよい。本明細書で使用されるように処理回路では、各機能は、その機能を実行するように構成された、すなわちハード・ワイヤードされたハードウェアによって、又は非一時的記憶媒体に格納された命令を実行するように構成されるＣＰＵなどのより汎用的なハードウェアによって、実行される。処理回路は、単一のプリント配線板（ＰＷＢ）上に作製されてもよいし、相互接続されたいくつかのＰＷＢ上に分散されてもよい。処理回路は、他の処理回路を含んでもよく、例えば、処理回路は、ＰＷＢ上で相互接続される２つの処理回路、ＦＰＧＡ及びＣＰＵを含んでもよい。
【0160】
本明細書では、様々な要素、構成要素、領域、層、及び／又は部分を説明するために“第１”、“第２”、“第３”等の用語を用いることができるが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は部分がこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語を使用して、ある要素、構成要素、領域、層、又は部分を別の要素、構成要素、領域、層、又は部分と区別する。したがって、後述する第１要素、構成要素、領域、層、又は部分は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、第２要素、構成要素、領域、層、又は部分と称することが可能である。
【0161】
本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、発明概念を限定することを意図するものではない。本明細書で使用されるように、単数形“ａ”及び“ａｎ”は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書で使用される場合、用語“ｉｎｃｌｕｄｅ”、”ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”、“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”、及び／又は“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”は、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を規定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除しないことが更に理解されるであろう。本明細書で使用されるように、用語“及び／又は”は、関連する列挙された項目の１つ又は複数の任意の及び全ての組み合わせを含む。さらに、本発明概念の実施形態を説明する際の“ｍａｙ”の使用は、“本発明概念の１つ又は複数の実施形態”を指す。また、“例示的な”という用語は、例又は図解を指すことを意図している。
【0162】
本明細書で使用されるように、用語“ｕｓｅ”、“ｕｓｉｎｇ”、及び“ｕｓｅｄ”は、それぞれ、用語“ｕｔｉｌｉｚｅ”、“ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ”、及び“ｕｔｉｌｉｚｅｄ”と同義であると考えてもよい。
【0163】
さらに、本発明概念の実施形態を説明する際の“ｍａｙ”の使用は、“本発明概念の１つ又は複数の実施形態”を指すものである。また、用語“ｅｘｅｍｐｌａｒｙ”は、例又は図解を指すことを意図している。
【0164】
本発明を特定の好ましい実施形態に関連して説明したが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の請求項の精神及び範囲内に含まれる様々な変更及び同等の配置、並びにその同等物を網羅することを意図していることが理解されよう。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【手続補正書】
【提出日】2023-01-12
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0164】
本発明を特定の好ましい実施形態に関連して説明したが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の請求項の精神及び範囲内に含まれる様々な変更及び同等の配置、並びにその同等物を網羅することを意図していることが理解されよう。
上述の実施形態は下記の例のように記載され得るが、下記の例に限定されない。
［例１］
光計算システムであって、
ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、
変調マスクを受け取り、前記変調マスクに基づいて前記ポンプ・ビームを変調し、変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、
前記変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、前記ＳＨビーム及び前記ポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、
前記非線形媒質の前記出力を受信し、前記ＳＨビームと前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分の第１光パワーを検出し、前記ＳＨビームの第２光パワーを検出するように構成される検出器と、
前記光変調装置へ送信するために、前記第１及び第２の光パワーに基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラと、
を備える光計算システム。
［例２］
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して前記変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を備える、例１に記載の光計算システム。
［例３］
前記変調マスクは、ランダムな２値位相パターンである、例２に記載の光計算システム。
［例４］
前記空間光変調装置は、前記ウェーブレットの各々の１つの位相を前記変調マスクに基づいて第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、
前記第１及び第２の位相は、１８０度離れている、例２に記載の光計算システム。
［例５］
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調して前記変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを備える、例１に記載の光計算システム。
［例６］
前記非線形媒質の内部で前記変調されたビームを集束させるように構成される第１レンズと、
前記非線形媒質の前記出力を前記ダイクロイック・ミラーに平行にするように構成される第２レンズとをさらに備える、例１に記載の光計算システム。
［例７］
前記検出器は、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分の前記第１光パワーを検出するように構成される第１光検出器と、
前記ＳＨビームの前記第２光パワーを検出するように構成される第２光検出器とを備え、
前記非線形媒質は、周期分極ニオブ酸リチウム結晶を含む、例１に記載の光計算システム。
［例８］
前記変調マスクは、複数の画素を含み、
前記コントローラは、前記第１及び第２の光パワーに基づいて前記画素のクラスターを識別し、前記画素の前記クラスターの画素を反転させることにより、前記更新された変調マスクを生成するように構成される、例１に記載の光計算システム。
［例９］
システム・エネルギーの近似的基底状態を決定するために光計算システムを制御する方法であって、
ポンプ・ビームを生成するために光源を駆動すること、
位相マスクを生成すること、
前記位相マスクを空間光変調装置に適用して、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して、前記位相マスクに基づいて変調されたビームを生成すること、及び
前記ポンプ・ビームの第１光パワー及び前記ポンプ・ビームに基づいて生成される第２高調波（ＳＨ）ビームの第２光パワーを検出器から受信することを含み、
前記位相マスクを前記生成することは、
前記位相マスクのクラスターを識別すること、
前記第１光パワーに基づいて現在のシステム・エネルギーを決定すること、
少なくとも前記システム・エネルギー及び以前の最小システム・エネルギーに基づいて、前記位相マスクを更新するかどうかを決定すること、及び
前記位相マスクを更新することを決定することに応答して、前記位相マスクの前記クラスターに基づいて前記位相マスクを更新することを含む、方法。
［例１０］
前記位相マスクを前記生成することは、
前記位相マスクを更新しないことを決定することに応答して、前記現在のシステム・エネルギーと前記以前の最小システム・エネルギーのうち小さい方を、前記近似的基底状態として識別することをさらに含む、例９に記載の方法。
［例１１］
前記位相マスクを前記生成することは、
熱エネルギーを識別すること、
前記現在のシステム・エネルギー及び前記以前の最小システム・エネルギーに基づいて、システム・エネルギーの変化を計算すること、及び
前記システム・エネルギーの変化及び前記熱エネルギーに基づいてボルツマン確率を決定することをさらに含み、
前記位相マスクを更新するかどうかを前記決定することは、前記ボルツマン確率にさらに基づく、例９に記載の方法。
［例１２］
前記位相マスクを更新するかどうかを前記決定することは、
フィードバック反復回数が閾値未満であることを決定すること、及び
前記位相マスクを更新することを決定することを含む、例９に記載の方法。
［例１３］
光計算システムであって、
ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、
変調マスクを受け取り、前記変調マスクに基づいて前記ポンプ・ビームを変調して変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、
前記変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、前記ＳＨビーム及び前記ポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、
前記非線形媒質の前記出力を受信し、前記ＳＨビームと前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を捕捉し、第１強度行列を生成するように構成される第１カメラと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を捕捉し、第２強度行列を生成するように構成される第２カメラと、
前記光変調装置に送信するために、前記第１及び第２の強度行列の少なくとも一方に基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラとを備える、光計算システム。
［例１４］
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して前記変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を備え、
前記変調マスクは、２値位相パターンである、例１３に記載の光計算システム。
［例１５］
前記空間光変調装置は、前記変調マスクに基づいて、前記ウェーブレットの各々の１つの位相を第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、
前記第１及び第２の位相は、１８０度離れている、例１４に記載の光計算システム。
［例１６］
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調して前記変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを備える、例１３に記載の光計算システム。
［例１７］
前記コントローラは、
カメラ状態を、前記第１強度行列、前記第２強度行列、又は前記第１及び第２の強度行列の加重和として決定すること、及び
前記変調マスク及び前記カメラ状態に基づいて、前記更新された変調マスクを決定することにより、
前記更新された変調マスクを生成するように構成される、例１３に記載の光計算システム。
［例１８］
前記変調マスク及び前記カメラ状態に基づいて前記更新された変調マスクを前記決定することは、前記更新された変調マスクを、前記変調マスクと、前記カメラ状態及びフィードバック・ステップ・サイズの乗算との間の差として決定することを含む、例１７に記載の光計算システム。
［例１９］
前記ポンプ・ビームは、前記光源によって生成されるガウシアン・パルス列のガウシアン・パルスを含み、
前記フィードバック・ステップ・サイズは、前記ガウシアン・パルス列の周期性に対応する、例１８に記載の光計算システム。
［例２０］
前記コントローラは、前記更新された変調マスクを生成する前に、前記フィードバック・ステップ・サイズを適応的に調整するように構成される、例１８に記載の光計算システム。
［例２１］
光コンピューティング・システムであって、
平坦な位相フロントを有するポンプ・ビームを生成するように構成される光増幅器と、
前記ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、
前記信号から前記ポンプ・ビームをフィルタリングするように構成される光学フィルタと、
前記信号の一部を読み出すように構成される光ビーム・スプリッタと、
前記信号に基づいて第２高調波光を生成するように構成される非線形光学結晶と、
前記信号と前記第２高調波光を分離するように構成される第１デュアルバンド・リフレクタと、
前記第２高調波光を前記光増幅器に結合するように構成される光受信器と、
前記縮退光パラメトリック増幅器へ前記信号と第２高調波光を結合するように構成される第２デュアルバンド・リフレクタとを備える、光コンピューティング・システム。
［例２２］
第２高調波光を生成するために前記信号を前記非線形光学結晶に集束するように構成される第１フーリエ・レンズと、
前記第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの間にあって、前記信号の焦点をぼかすように構成される第２フーリエ・レンズとをさらに備える、例２１に記載の光コンピューティング・システム。
［例２３］
前記第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの各々は、ダイクロイック・ミラー又は光学フィルタを備える、例２１に記載の光コンピューティング・システム。
［例２４］
前記信号が前記光コンピューティング・システムを連続的に横切るとき、光パラメトリック発振が起こるまで前記光増幅器の光学利得を増加させる、例２１に記載の光コンピューティング・システム。
［例２５］
前記縮退光パラメトリック増幅器と前記非線形光学結晶との間で、前記信号が前記非線形光学結晶に到達する前に前記信号を変調して前記光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第１光変調装置をさらに備える、例２１に記載の光コンピューティング・システム。
［例２６］
前記非線形光学結晶と前記光受信器との間で、前記第２高調波光を変調して前記光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第２光変調装置をさらに備える、例２４に記載の光コンピューティング・システム。
［例２７］
光コンピューティング・システムであって、
平坦な位相フロントを有する増幅された信号を生成するように構成される光増幅器と、
前記増幅された信号を受信し、前記増幅された信号に基づいて第２高調波生成によりポンプ・ビームを生成するように構成される非線形光学デバイスと、
前記ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、
前記ポンプ・ビームを前記信号からフィルタリングするように構成される光学フィルタと、
前記信号の一部を読み出すように構成される第１光ビーム・スプリッタと、
前記信号の前記一部を変調するために前記信号の第１部分を光変調装置に向け、前記信号の第２部分をダイクロイック・ミラーに向けるように構成される第２光ビーム・スプリッタと、
前記信号の前記変調された第１部分を前記光増幅器に結合して前記増幅された信号を生成するように構成される光受信器とを備え、
前記ダイクロイック・ミラーは、前記縮退光パラメトリック増幅器へ前記信号の前記第２部分を前記ポンプ・ビームと結合するように構成される、光コンピューティング・システム。
［例２８］
前記光変調装置は、空間光変調装置又はデジタル・マイクロミラー・デバイスを備え、
前記非線形光学デバイスは、非線形光学結晶又は光導波路を備える、例２７に記載の光計算システム。
上述の実施形態は下記の例のように記載され得るが、下記の例に限定されない。
［例１］
光計算システムであって、
ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、
変調マスクを受け取り、前記変調マスクに基づいて前記ポンプ・ビームを変調し、変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、
前記変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、前記ＳＨビーム及び前記ポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、
前記非線形媒質の前記出力を受信し、前記ＳＨビームと前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分の第１光パワーを検出し、前記ＳＨビームの第２光パワーを検出するように構成される検出器と、
前記光変調装置へ送信するために、前記第１及び第２の光パワーに基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラと、
を備える光計算システム。
［例２］
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して前記変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を備える、例１に記載の光計算システム。
［例３］
前記変調マスクは、ランダムな２値位相パターンである、例２に記載の光計算システム。
［例４］
前記空間光変調装置は、前記ウェーブレットの各々の１つの位相を前記変調マスクに基づいて第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、
前記第１及び第２の位相は、１８０度離れている、例２に記載の光計算システム。
［例５］
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調して前記変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを備える、例１に記載の光計算システム。
［例６］
前記非線形媒質の内部で前記変調されたビームを集束させるように構成される第１レンズと、
前記非線形媒質の前記出力を前記ダイクロイック・ミラーに平行にするように構成される第２レンズとをさらに備える、例１に記載の光計算システム。
［例７］
前記検出器は、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分の前記第１光パワーを検出するように構成される第１光検出器と、
前記ＳＨビームの前記第２光パワーを検出するように構成される第２光検出器とを備え、
前記非線形媒質は、周期分極ニオブ酸リチウム結晶を含む、例１に記載の光計算システム。
［例８］
前記変調マスクは、複数の画素を含み、
前記コントローラは、前記第１及び第２の光パワーに基づいて前記画素のクラスターを識別し、前記画素の前記クラスターの画素を反転させることにより、前記更新された変調マスクを生成するように構成される、例１に記載の光計算システム。
［例９］
システム・エネルギーの近似的基底状態を決定するために光計算システムを制御する方法であって、
ポンプ・ビームを生成するために光源を駆動すること、
位相マスクを生成すること、
前記位相マスクを空間光変調装置に適用して、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して、前記位相マスクに基づいて変調されたビームを生成すること、及び
前記ポンプ・ビームの第１光パワー及び前記ポンプ・ビームに基づいて生成される第２高調波（ＳＨ）ビームの第２光パワーを検出器から受信することを含み、
前記位相マスクを前記生成することは、
前記位相マスクのクラスターを識別すること、
前記第１光パワーに基づいて現在のシステム・エネルギーを決定すること、
少なくとも前記システム・エネルギー及び以前の最小システム・エネルギーに基づいて、前記位相マスクを更新するかどうかを決定すること、及び
前記位相マスクを更新することを決定することに応答して、前記位相マスクの前記クラスターに基づいて前記位相マスクを更新することを含む、方法。
［例１０］
前記位相マスクを前記生成することは、
前記位相マスクを更新しないことを決定することに応答して、前記現在のシステム・エネルギーと前記以前の最小システム・エネルギーのうち小さい方を、前記近似的基底状態として識別することをさらに含む、例９に記載の方法。
［例１１］
前記位相マスクを前記生成することは、
熱エネルギーを識別すること、
前記現在のシステム・エネルギー及び前記以前の最小システム・エネルギーに基づいて、システム・エネルギーの変化を計算すること、及び
前記システム・エネルギーの変化及び前記熱エネルギーに基づいてボルツマン確率を決定することをさらに含み、
前記位相マスクを更新するかどうかを前記決定することは、前記ボルツマン確率にさらに基づく、例９に記載の方法。
［例１２］
前記位相マスクを更新するかどうかを前記決定することは、
フィードバック反復回数が閾値未満であることを決定すること、及び
前記位相マスクを更新することを決定することを含む、例９に記載の方法。
［例１３］
光計算システムであって、
ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、
変調マスクを受け取り、前記変調マスクに基づいて前記ポンプ・ビームを変調して変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、
前記変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、前記ＳＨビーム及び前記ポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、
前記非線形媒質の前記出力を受信し、前記ＳＨビームと前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を捕捉し、第１強度行列を生成するように構成される第１カメラと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を捕捉し、第２強度行列を生成するように構成される第２カメラと、
前記光変調装置に送信するために、前記第１及び第２の強度行列の少なくとも一方に基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラとを備える、光計算システム。
［例１４］
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して前記変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を備え、
前記変調マスクは、２値位相パターンである、例１３に記載の光計算システム。
［例１５］
前記空間光変調装置は、前記変調マスクに基づいて、前記ウェーブレットの各々の１つの位相を第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、
前記第１及び第２の位相は、１８０度離れている、例１４に記載の光計算システム。
［例１６］
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調して前記変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを備える、例１３に記載の光計算システム。
［例１７］
前記コントローラは、
カメラ状態を、前記第１強度行列、前記第２強度行列、又は前記第１及び第２の強度行列の加重和として決定すること、及び
前記変調マスク及び前記カメラ状態に基づいて、前記更新された変調マスクを決定することにより、
前記更新された変調マスクを生成するように構成される、例１３に記載の光計算システム。
［例１８］
前記変調マスク及び前記カメラ状態に基づいて前記更新された変調マスクを前記決定することは、前記更新された変調マスクを、前記変調マスクと、前記カメラ状態及びフィードバック・ステップ・サイズの乗算との間の差として決定することを含む、例１７に記載の光計算システム。
［例１９］
前記ポンプ・ビームは、前記光源によって生成されるガウシアン・パルス列のガウシアン・パルスを含み、
前記フィードバック・ステップ・サイズは、前記ガウシアン・パルス列の周期性に対応する、例１８に記載の光計算システム。
［例２０］
前記コントローラは、前記更新された変調マスクを生成する前に、前記フィードバック・ステップ・サイズを適応的に調整するように構成される、例１８に記載の光計算システム。
［例２１］
光コンピューティング・システムであって、
平坦な位相フロントを有するポンプ・ビームを生成するように構成される光増幅器と、
前記ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、
前記信号から前記ポンプ・ビームをフィルタリングするように構成される光学フィルタと、
前記信号の一部を読み出すように構成される光ビーム・スプリッタと、
前記信号に基づいて第２高調波光を生成するように構成される非線形光学結晶と、
前記信号と前記第２高調波光を分離するように構成される第１デュアルバンド・リフレクタと、
前記第２高調波光を前記光増幅器に結合するように構成される光受信器と、
前記縮退光パラメトリック増幅器へ前記信号と第２高調波光を結合するように構成される第２デュアルバンド・リフレクタとを備える、光コンピューティング・システム。
［例２２］
第２高調波光を生成するために前記信号を前記非線形光学結晶に集束するように構成される第１フーリエ・レンズと、
前記第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの間にあって、前記信号の焦点をぼかすように構成される第２フーリエ・レンズとをさらに備える、例２１に記載の光コンピューティング・システム。
［例２３］
前記第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの各々は、ダイクロイック・ミラー又は光学フィルタを備える、例２１に記載の光コンピューティング・システム。
［例２４］
前記信号が前記光コンピューティング・システムを連続的に横切るとき、光パラメトリック発振が起こるまで前記光増幅器の光学利得を増加させる、例２１に記載の光コンピューティング・システム。
［例２５］
前記縮退光パラメトリック増幅器と前記非線形光学結晶との間で、前記信号が前記非線形光学結晶に到達する前に前記信号を変調して前記光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第１光変調装置をさらに備える、例２１に記載の光コンピューティング・システム。
［例２６］
前記非線形光学結晶と前記光受信器との間で、前記第２高調波光を変調して前記光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第２光変調装置をさらに備える、例２４に記載の光コンピューティング・システム。
［例２７］
光コンピューティング・システムであって、
平坦な位相フロントを有する増幅された信号を生成するように構成される光増幅器と、
前記増幅された信号を受信し、前記増幅された信号に基づいて第２高調波生成によりポンプ・ビームを生成するように構成される非線形光学デバイスと、
前記ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、
前記ポンプ・ビームを前記信号からフィルタリングするように構成される光学フィルタと、
前記信号の一部を読み出すように構成される第１光ビーム・スプリッタと、
前記信号の前記一部を変調するために前記信号の第１部分を光変調装置に向け、前記信号の第２部分をダイクロイック・ミラーに向けるように構成される第２光ビーム・スプリッタと、
前記信号の前記変調された第１部分を前記光増幅器に結合して前記増幅された信号を生成するように構成される光受信器とを備え、
前記ダイクロイック・ミラーは、前記縮退光パラメトリック増幅器へ前記信号の前記第２部分を前記ポンプ・ビームと結合するように構成される、光コンピューティング・システム。
［例２８］
前記光変調装置は、空間光変調装置又はデジタル・マイクロミラー・デバイスを備え、
前記非線形光学デバイスは、非線形光学結晶又は光導波路を備える、例２７に記載の光計算システム。
【手続補正2】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光コンピューティング・システムであって、平坦な位相フロントを有するポンプ・ビームを生成するように構成される光増幅器と、
前記ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、
前記信号から前記ポンプ・ビームをフィルタリングするように構成される光学フィルタと、
前記信号の一部を読み出すように構成される光ビーム・スプリッタと、
前記信号に基づいて第２高調波光を生成するように構成される非線形光学結晶と、
前記信号と前記第２高調波光を分離するように構成される第１デュアルバンド・リフレクタと、
前記第２高調波光を前記光増幅器に結合するように構成される光受信器と、
前記縮退光パラメトリック増幅器へ前記信号と第２高調波光を結合するように構成される第２デュアルバンド・リフレクタとを備える、光コンピューティング・システム。
【請求項2】
第２高調波光を生成するために前記信号を前記非線形光学結晶に集束するように構成される第１フーリエ・レンズと、前記第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの間にあって、前記信号の焦点をぼかすように構成される第２フーリエ・レンズとをさらに備える、請求項１に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項3】
前記第１及び第２のデュアルバンド・リフレクタの各々は、ダイクロイック・ミラー又は光学フィルタを備える、請求項１に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項4】
前記信号が前記光コンピューティング・システムを連続的に横切るとき、光パラメトリック発振が起こるまで前記光増幅器の光学利得を増加させる、請求項１に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項5】
前記縮退光パラメトリック増幅器と前記非線形光学結晶との間で、前記信号が前記非線形光学結晶に到達する前に前記信号を変調して前記光コンピューティング・システムの有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第１光変調装置をさらに備え、
前記非線形光学結晶と前記光受信器との間で、前記第２高調波光を変調して前記光コンピューティング・システムの前記有効４体相互作用ハミルトニアンを変更するように構成される第２光変調装置をさらに備える、請求項１に記載の光コンピューティング・システム。
【請求項6】
光コンピューティング・システムであって、平坦な位相フロントを有する増幅された信号を生成するように構成される光増幅器と、
前記増幅された信号を受信し、前記増幅された信号に基づいて第２高調波生成によりポンプ・ビームを生成するように構成される非線形光学デバイスと、
前記ポンプ・ビームに基づいて小さなウェーブレットで２波長の信号を生成するように構成される縮退光パラメトリック増幅器と、
前記ポンプ・ビームを前記信号からフィルタリングするように構成される光学フィルタと、
前記信号の一部を読み出すように構成される第１光ビーム・スプリッタと、
前記信号の前記一部を変調するために前記信号の第１部分を光変調装置に向け、前記信号の第２部分をダイクロイック・ミラーに向けるように構成される第２光ビーム・スプリッタと、
前記信号の前記変調された第１部分を前記光増幅器に結合して前記増幅された信号を生成するように構成される光受信器とを備え、
前記ダイクロイック・ミラーは、前記縮退光パラメトリック増幅器へ前記信号の前記第２部分を前記ポンプ・ビームと結合するように構成される、光コンピューティング・システム。
【請求項7】
前記光変調装置は、空間光変調装置又はデジタル・マイクロミラー・デバイスを備え、前記非線形光学デバイスは、非線形光学結晶又は光導波路を備える、請求項６に記載の光計算システム。
【請求項8】
光計算システムであって、
ポンプ・ビームを生成するように構成される光源と、
変調マスクを受け取り、前記変調マスクに基づいて前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相又は強度を変調し、変調されたビームを生成するように構成される光変調装置と、
前記変調されたビームの一部を第２高調波（ＳＨ）ビームに変換し、前記ＳＨビーム及び前記ポンプ・ビームの未変換部分を含む出力を生成するように構成される非線形媒質と、
前記非線形媒質の前記出力を受信し、前記ＳＨビームと前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を分離するように構成されるダイクロイック・ミラーと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分の第１光パワーを検出し、前記ＳＨビームの第２光パワーを検出するように構成される検出器と、
前記光変調装置へ送信するために、前記第１及び第２の光パワーに基づいて更新された変調マスクを生成するように構成されるコントローラと、
を備える光計算システム。
【請求項9】
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して前記変調されたビームを生成するように構成される空間光変調装置を備え、
前記変調マスクは、ランダムな２値位相パターンであり、
前記空間光変調装置は、前記ウェーブレットの各々の１つの位相を前記変調マスクに基づいて第１位相又は第２位相のいずれかとして符号化することにより、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調するように構成され、
前記第１及び第２の位相は、１８０度離れている、請求項８に記載の光計算システム。
【請求項10】
前記光変調装置は、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの強度を変調して前記変調されたビームを生成するように構成されるデジタル・マイクロミラー・デバイスを備える、請求項８に記載の光計算システム。
【請求項11】
前記非線形媒質の内部で前記変調されたビームを集束させるように構成される第１レンズと、
前記非線形媒質の前記出力を前記ダイクロイック・ミラーに平行にするように構成される第２レンズとをさらに備える、請求項８に記載の光計算システム。
【請求項12】
前記検出器は、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分の前記第１光パワーを検出するように構成される第１光検出器と、
前記ＳＨビームの前記第２光パワーを検出するように構成される第２光検出器とを備え、
前記非線形媒質は、周期分極ニオブ酸リチウム結晶を含む、請求項８に記載の光計算システム。
【請求項13】
前記変調マスクは、複数の画素を含み、
前記コントローラは、前記第１及び第２の光パワーに基づいて前記画素のクラスターを識別し、前記画素の前記クラスターの画素を反転させることにより、前記更新された変調マスクを生成するように構成される、請求項８に記載の光計算システム。
【請求項14】
前記検出器は、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を捕捉し、第１強度行列を生成するように構成される第１カメラと、
前記ポンプ・ビームの前記未変換部分を捕捉し、第２強度行列を生成するように構成される第２カメラとを備え、
前記コントローラは、
カメラ状態を、前記第１強度行列、前記第２強度行列、又は前記第１及び第２の強度行列の加重和として決定すること、及び
前記光変調装置に送信するために、前記変調マスク及び前記カメラ状態に基づいて、前記更新された変調マスクを決定すること
により、前記第１及び第２の強度行列の少なくとも一方に基づいて更新された変調マスクを生成するように構成される、請求項８に記載の光計算システム。
【請求項15】
システム・エネルギーの近似的基底状態を決定するために、請求項８に記載の光計算システムを制御する方法であって、
前記ポンプ・ビームを生成するために前記光源を駆動するステップ、
位相マスクを生成するステップ、
前記位相マスクを空間光変調装置に適用して、前記ポンプ・ビームのウェーブレットの位相を変調して、前記位相マスクに基づいて変調されたビームを生成するステップ、及び
前記第１光パワー及び第２光パワーを前記検出器から受信するステップを含み、
前記生成するステップは、
前記位相マスクのクラスターを識別するステップ、
前記第１光パワー及び／又は前記第２光パワーに基づいて現在のシステム・エネルギーを決定するステップ、
少なくとも前記現在のシステム・エネルギー及び以前の最小システム・エネルギーに基づいて、前記位相マスクを更新するかどうかを決定するステップ、及び
前記位相マスクを更新するステップの決定に応答して、前記位相マスクの前記クラスターに基づいて前記位相マスクを更新するステップを含む、方法。
【国際調査報告】