日本量子神經網路及其關鍵器件

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日本量子神經網路

（一）原理簡介

與主流的門型和退火型量子計算機不同，日本此前公開的第一個國產量子計算機原型屬於神經網路型，名字叫做「量子神經網路（QNN）」。

QNN的主要構成和工作原理與歐、美、中等國家正在研發的量子計算機有著較大的區別，具體可參見下表。

量子神經網路（QNN）是一種新型計算機，它充分利用了光參量振蕩器（OPO）這種新型激光的量子力學特性，與傳統計算機相比，它在解決各種優化問題的速度上有著飛躍性的提升。

日本的研究團隊將QNN收納在能夠安裝在數據中心的機箱中，並通過引入光電路的穩定控制機制，成功開發出可長時間穩定工作的QNN計算裝置。

QNN的主要構成和工作原理見下圖：

▲

量子神經網路的主要構成和工作原理

（視頻講解可參考：https://www.youtube.com/watch?v=rku76uGX_dU）

（二）重點機構

量子神經網路（QNN）是在日本內閣府「革新性研究開發推進計劃（ImPACT）」/「利用量子網路連接量子人工腦的先進知識社會基礎的實現」項目（以下簡稱「量子人工腦項目」）下實現的，其主要參與機構如下圖所示：

▲「量子人工腦」項目（粉紅色部分）的主要參與機構

ImPACT/量子人工腦項目重點機構：

日本國立情報學研究所（NII），美國斯坦福大學，日本東京大學，NTT，日本大阪大學，日本株式會社Alnair Labs，日本東京工業大學，日本株式會社PEZY Computing，日本東北大學。

（三）日本量子神經網路的關鍵器件

▲人腦結構與量子神經網路結構對比

1、光纖環共振器

在日本開發的量子神經網路中，首先要使用到一個長度約為1km的光纖，該光纖會被製成一個線圈（光纖環），形成一個循環結構的光迴路（量子隱形傳態迴路），使光脈衝在其中無限循環。該光纖環在報告中也經常被稱作「光纖共振器」。

2、光參量振蕩器（OPO）

光參量振蕩器（OPO）是一種光頻域的參量振蕩器，通常被用作可調諧相干激光的發生器。光參量振蕩器是目前產生大範圍連續可調波長（波長從紅外到可見光甚至紫外光）激光的唯一方法。

在日本研發的量子神經網路原型機中，OPO主要用來生成大量的光脈衝，形成的OPO脈衝群將被作為計算的「比特」使用。在整個研發項目的分工中，主要由日本NTT的武居弘樹和美國斯坦福大學的Hideo Mabuchi、Robert L. Byer、Martin M. Fejer團隊來負責OPO網路的開發。

3、相敏放大器（PSA）

相敏放大器（PSA）是一種特殊的光放大器。當PSA接受到「泵浦光」這種光時，會利用這種能量對光進行放大。經PSA放大的光波長均為泵浦光的2倍，且從光振動的時機——相位來看，最後所有的光脈衝會被分為兩類，一種是與泵浦光相同的「0」（藍色），另一種是總是與泵浦光相位相差一半的「π」（紅色）。當最後所有脈衝都被歸為了「0」或「π」時，即得到問題結果。

4、現場可編程門陣列（FPGA）

現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA），也被稱作現場可編程邏輯門陣列。在量子神經網路中，將泵浦光以脈衝狀態輸入到PSA中之後，PSA會將其以噪音光脈衝（相位隨機、介於0~2π之間）的形式進行輸出。FPGA會結合部分光脈衝的相位，利用「伊辛機模型」這種理論模型創造出新的光脈衝，並使其與原來的光脈衝重合。這樣一來，光脈衝之間就會相互影響，變成相同或不同的相位，這些光脈衝每環繞光纖環一圈，FPGA就會重複一次相同的過程。在FPGA與PSA的共同作用下，每個光脈衝都會逐漸趨近於「0」或「π」，當最終確定是「0」還是「π」後，就等於得到了計算結果。

5、光零差檢波器

光零差檢波器主要用來測定量子神經網路中各光參量振蕩器的振幅，並將得到的結果反饋回去。它是量子神經網路中「量子測定反饋」機制的重要組成部分。

6、光調製器

光調製技術就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上的一種調製技術。光調製能夠使光波的某些參數如振幅、頻率、相位、偏振狀態和持續時間等按一定的規律發生變化。其中實現光調製的裝置稱為光調製器。

光調製器也是量子神經網路中「量子測定反饋」機制的重要組成部分，它主要負責將FPGA計算出的、反饋給各個OPO的信號，疊加在與OPO波長、相位相同的光脈衝上。將這些重疊後的脈衝輸入到各OPO中，就可以實現OPO之間的連接。

7、耦合器