Beiträge zu skalierbaren Ising-Maschinen in Silizium mit CMOS-basierten photonischen integrierten Schaltkreisen

• Antragsteller: Professor Dr. Kambiz Jamshidi, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Jens Lienig
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466323332

Traditionell werden wissenschaftliche Fragestellungen durch mathematische Optimierungsprobleme abgebildet und mit Computern gelöst. Trotz größten Rechenaufwands lassen sich viele dieser Probleme nur näherungsweise lösen. Beispiele hierfür sind das Problem des Handlungsreisenden und die Faltung von Proteinen. Für bestimmte NP-schwere Probleme wurden Hardware-Ansätze vorgeschlagen, die diese energieeffizient lösen und dabei schneller sind als konventionelle Computer. Ein Beispiel hierfür sind adiabatische Computer, die Optimierungsprobleme in der Form eines Systems aus gekoppelten Spins lösen. Neben den prominenten adiabatische Quantencomputern existieren auch Ausführungen, die nicht auf Quanteneffekten, sondern auf anderen physikalischen Eigenschaften beruhen. Da sich die Problemlösung in diesen Methoden dem Optimum allmählich annähert, hängt die erreichte Genauigkeit von der Zeitskala des verwendeten physikalischen Prozesses ab. Eine Umsetzung des zuletzt genannten Prinzips sind kohärente Ising-Maschinen (CIM), die die ferromagnetischen Spins eines Ising-Modells durch das optische Feld emulieren. Die erste CIM wurde mit gekoppelten Lasern aufgebaut. Später verwendete man optische parametrische Oszillatoren (OPOs), die auf nichtlinearer Optik beruhen. Für den Aufbau von CIMs wurden bisher sowohl einfach gepumpte OPOs, basierend auf der Nichtlinearität zweiter Ordnung in Kristallen, als auch zweifach gepumpte OPOs, basierend auf der dritter Ordnung in Fasern oder Siliziumnitrid-Wellenleitern, untersucht.Dieses Projekt strebt erstmals die Realisierung einer skalierbaren CIM mit verfügbaren photonischen CMOS-Technologien, basierend auf Silizium, an. Als ersten Schritt zu einer einfachen Ising-Maschine wird eine einzelne Resonatorstruktur in der CMOS-Technologie entwickelt. Der Entwurf basiert auf der Optimierung eines Ringresonators unter Verwendung nichtlinearer dynamischer Gleichungen für die Lichtausbreitung im Hohlraum. Das thermische Verhalten einzelner Oszillatoren und ihr gegenseitiger Einfluss werden unter Berücksichtigung von optischen, elektrischen und thermischen Signalen numerisch modelliert. Insbesondere sind die thermo-optischen und photo-thermischen Effekte zu beachten, um mögliche Kopplungen der Resonatoren zu untersuchen. Im zweiten Schritt wird eine gekoppelte Resonatorstruktur entwickelt, die auf den Messergebnissen der einzelnen Resonatoren und einem geeigneten Kopplungsmechanismus aufbaut. Die Simulationsergebnisse werden durch Messungen validiert, um Entwurfsregeln für das Skalieren der Maschine aufzustellen.Ziel dieses Projekts ist die erste Implementierung einer kohärenten Ising-Maschine aus gekoppelten Oszillatorstrukturen in einer CMOS-Technologie sowie verallgemeinerte Entwurfsregeln zum Skalieren einer solchen Maschine. Die Projektergebnisse eignen sich auch für die Platzierungsoptimierung und die thermische Analyse von Komponenten zukünftiger CMOS-basierter photonischer integrierter Schaltkreise.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen