Microsoft PowerPoint - NetSciCCS_MNMA.pptx

ナノフォトニクスにおける情報ネットワーク構造：

省エネ性 自律性 解探索

省エネ性・自律性・解探索

成瀬 誠

青

真

1 独立行政法人情報通信研究機構

成瀬 誠

1

_{，青野真士}

2

1 独立行政法人情報通信研究機構

光ネットワーク研究所

2 独立行政法人理化学研究所

基幹

究

基幹研究所

Email: naruse@nict go jp

Email: [email protected]

NetSci CCS ワークショップ (北海道大学, 2012.8.10)

ナノフォトニクスにおける情報ネットワーク構造：

ナノフォトニクスにおける情報ネットワ ク構造：

省エネ性・自律性・解探索

１ イントロダクション

１．イントロダクション

～情報から見たナノフォトニクスの基盤構築～

２．ナノフォトニクスにおける情報ネットワーク構造

・省エネ性

・省エネ性

・自律性

・解探索

解探索

３ まとめ

３．まとめ

「情報」から見たナノフォトニクス

物理的基礎

システムとしての基礎

完成された理論

電子の流れ

完成された理論

(e.g. 回路網理論)

自由空間の光伝搬

完成された理論

(e.g. レンズ設計理論、回折光学理論)

光フ

イバ

内の光伝搬

完成された理論

光ファイバー内の光伝搬

完成された理論

(e.g. 光通信理論)

ナノフォトニクス

未開拓領域

ナ

フォト

クス

情報から見たナノフォトニクスの基盤構築

(Information Physics in Nanophotonics)

研究課題の例

Category 1

Revealing information-related fundamental properties

and ultimate limits in systems based on nanophotonics;

Fundamental Information Physics in Nanophotonics

y

p

;

e.g. 1) Unidirectionality, 2) Minimum energy dissipation (S/N ,

error rate, speed), 3) Blockade effects and input/output statistics, 4)

Scaling law, etc.

Category 2

Exploit and manage tremendous amount of

degrees-of-Design Principles and Technologies

Exploit and manage tremendous amount of degrees of

freedom available in the nanoscale: Classical or Quantum,

Energy levels, Size, Shape, Layout, Hierarchy, Polarization,

Spin, ...

Category 3

p

Novel Computing Paradigm and Applications

1 N

l

ti

di

b

d

h t i

1. Novel computing paradigm based on nanophotonics

e.g. Satisfiability problem (SAT)

2. Application devices and systems

ナノフォトニクスにおける情報ネットワーク構造：

ナノフォトニクスにおける情報ネットワ ク構造：

省エネ性・自律性・解探索

１ イントロダクション

１．イントロダクション

～情報から見たナノフォトニクスの基盤構築～

２．ナノフォトニクスにおける情報ネットワーク構造

・省エネ性

・省エネ性

・自律性

・解探索

解探索

３ まとめ

３．まとめ

ナノ構造間の近接場光相互作用を介したエネルギー移動

(Optical Excitation Transfer via Optical Near-field Interactions)

【理論】

M. Ohtsu, et al., Principles of Nanophotonics, Taylor and Francis, 2008

【理論】

Dressed photon model

(

)

A

【実験】

CuCl: Kawazoe et al., APL (2005)

CdSe: Klimov Group, PRL (2002)

exp(

)

A

r

U

r







CdSe: Klimov Group, PRL (2002)

ZnO: Yatsui et al., APL (2007)

InAs: Nishibayashi et al., APL (2008)

CdTe: Feldmann Group, Nano Lett. (2004)

cf: Light harvesting antenna in nature

Johnson, Simply Complexity: A Clear Guide to Complexity Theory (Oneworld, 2010) Sarovar, et al., Nature Phys. 6, 462 (2010)

デバイス・システムの基本構造の転換

デバイス

システムの基本構造の転換

成瀬 誠、川添 忠、大津元一、ナノ領域の光と物質との相互作用を用いた新機能デバイス、 電子情報通信学会誌、第95巻、第4号、pp. 330-334、2012年

例：Summation / Broadcast

Photonic System Today

M. Naruse, et al., Opt. Lett. 30, 201 (2005)

M. Naruse, et al., Opt. Exp. 14, 306 (2006)

例：近接場光を介したエネルギー移動で動作する論理ゲートデバイス

積層 InAs 量子ドット、 室温動作

２層構造 (QD

and QD

)

密度

離

QD 密度: 1 x 10

_{/ cm}

_{層間距離: 24 nm}

D=42 nm

D 42 nm

D=38 nm

どのようなデバイス構造が最も効率のよいエネルギー輸送を実現するか？

「近接場光のネ トワ ク

:

2 :1

N

N



N

:

N



3 :1

S2L1-system

S3L1-system

「近接場光のネットワーク」

_S5L1-system

S4L1-system

「近接場光のネットワーク」の 理論

( )

d t



i

Quantum master equation involving

optical near-field processes

U

U



  



( )

[ , ( )]

( )

( )

( )

d t

i

H

t

N

t

t N

t P

dt



_

_

_

_

 









U

U

H

U

U

U

U



  









_

  

_







_{  }









“Output Signal” from the L-dot

S3-L1 system

S4-L1 system

S5-L1 system

D

C

B

S2-L1 system

S3 L1 system

B

A

1. CdSe/ZnS core/shell QD mixtures(diameters 2.0 nm and 2.8 nm)

2 W k th t t l b f QD t t hil

【近接場光のネットワーク】 実験

2. We keep the total number of QD per area constant, while changing the ratio of the mixture different.

(N_S/N_L = 1, 2, 3, 5, 7, 9)

3. The increase of the induced photocurrent between 340 nm d 360 l t d

and 360 nm was evaluated.

We attribute such increase to the optical excitation transfer through which the input light wavelength is red-shifted to wavelengths where the photodetector is more sensitive.

rren

t (a.u.)

Photocu

Optimal mixture

Optimal mixture

(Optimal near

(Optimal near--field interaction network)

field interaction network)

(Optimal near

(Optimal near--field interaction network)

field interaction network)

Exp.

Theory

N

N

M. Naruse, et al, Phys. Rev. B 80, 125325 (2009)

M. Naruse, E. Runge, et al., Phys. Rev. B 82, 125417 (2010)

L

近接場光相互作用を介したエネルギー移動の

自律性・ロバスト性

自律性・ロバスト性

近接場光相互作用を介したエネルギー移動の

自律性・ロバスト性（続）

Higher population in S

and S

:

“Waiting!!”

自律性・ロバスト性（続）

Waiting!!

x 1.64

エラーがあっても

性能維持（寧ろ向上）

１．ナノデバイスではエラー（欠陥）は不可避→ロバスト性は極めて重要

２ さらに「ナノフォトニクスに学ぶ」情報ネットワークの可能性に展開

M. Naruse, K. Leibnitz, M. Murata, et al., Nano Communication Networks 2, 189 (2011)

２．さらに「ナノフォトニクスに学ぶ」情報ネットワ クの可能性に展開

省エネ性能の評価

303 meV

303 meV

10

10

_reduction

_reduction

24 eV

[1] L. B. Kish, “Moore's law and the energy requirement of computing versus performance,” IEE Proc. Circuits Devices Syst. 151, 190-194 (2004).y ( )

■配線型デバイスに対して10

_{倍効率改善}

■耐タンパー性向上にも寄与

M. Naruse, H. Hori, K. Kobayashi, P. Holmström, L. Thylén, and M. Ohtsu, Optics Express 18, A544 (2010)

粘菌

粘菌

光

嫌光性

光照射領域には伸びにくい

光照射領域には伸びにくい

（ただし確率ゼロではない）

①全体として一つの細胞：非局所性を備える

②嫌光性

②嫌光性

・時空間ダイナミクスの発現

確率的性質（

_E

_l

解空間の探索）

・確率的性質（

_{Explore;解空間の探索）}

粘菌からナノフォトニクスへ：

エネルギー移動を用いた解探索

エネルギー移動を用いた解探索

制御光照射なし

制御光照射あり

(State filling)

State filling

エネルギー移動の時空間ダイナミクス

State filling

FEATURE

Quantum stochastic process

- Quantum stochastic process

-

No energy dissipation during the interactions

-

Function of exploration or search

p

-

Quantitatively superior to amoeba in some specs.

(e.g., speed)

Spatiotemporal dynamics in optical energy transfer

State-dependent

State dependent

energy-transfer

probability patterns

制約充足問題(Constraint Satisfaction Problem

(CSP))をナノフォトニクスを用いて解く

x x



x

(CSP))をナノフォトニクスを用いて解く

{0 1}

x



NOR

IN1 IN2 OUT

0

0

1

1

, , ,

2

N

x x



x

_x

_i

_

_{0,1}

should satisfy following constraints;

0 0 1

1 0 0

0 1 0

1

1

0

should satisfy following constraints;

1

1

(

,

),

{0,1}

i

i

i

i

x



NOR x

_

x

_

x



1 1 0

1

1

(

)

{ }

i

i

i



i

2

x

N 4 のとき「正解 は {0 1 0 1}及び{1 0 1 0}

1

x

3

x

N = 4 のとき「正解」は {0,1,0,1}及び{1,0,1,0}

3

4

x

Feedback mechanisms (based on the given constraints)

1

x



x

x

x

0 0 1

1

0

0

4

1

x



1

1

(

,

)

i

i

i

x



NOR x

_

x

_

1 0 0

0 1 0

1 1 0

Autonomous Solution Search

C

t

_Correct

Solutions!

Autonomous Solution Search (cont)

Pave a new computing paradigm

that exploits both coherent

d di i

ti

and dissipative processes.

充足可能性判定問題

_(SAT)

さらなる展開・・・

充足可能性判定問題

_(SAT)

M. Aono, S.-J. Kim, L. Zhu, M. Naruse, M. Ohtsu, H. Hori, M. Hara: Amoeba-inspired SAT solver, The 2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012) to appear The 2012 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA 2012), to appear.

http://nolta2012.org/

S.-J. Kim, M. Naruse, M. Aono, M. Ohtsu, M. Hara: A Model of Quantum Dot-based Decision

意思決定問題（バンディット問題）

Maker, The First International Workshop on Information Physics and Computing in Nano-scale

Photonics and Materials (IPCN), to appear.

ナノフォトニクスにはエネルギー移動以外にも情報の観点から興味深い構造が存在

例：近接場光の「階層性」

1



s

p

r

r

trast

Con

t

M. Ohtsu and K. Kobayashi,

Optical Near Fields (Springer, 2004), Chap. 4.

0 2 4 6 8 10

0

s p

r

近接場光の「階層性」の様々な応用例

N. Tate, et al., Optics Express 18, 7497 (2010) N. Tate, et al., Optics Express 17, 11113 (2009) M. Naruse, et al., Journal of Optics 14, 094002 (2012)

ナノフォトニクスにおける情報ネットワーク構造：

まとめ

情

構

省エネ性・自律性・解探索

■近接場光相互作用を介したエネルギー移動を活かす：省エネ、自律、解探索

近接場光相互作用を介した ネルギ 移動を活かす 省 ネ、自律、解探索

・励起移動型デバイスへのパラダイム転換

・量子的プロセスと散逸的プロセスの利用（光合成におけるエネルギー輸送に類似）

・ナノフォトニクス実験技術の革新（量子ドット ナノダイヤモンド ・・・）

ナノフォトニクス実験技術の革新（量子ドット、ナノダイヤモンド、

）

・自律的性質、非局所的性質

・新たな計算パラダイムの可能性

■ナノフォトニクスにはエネルギー移動以外にも情報の観点から興味深い構造が

存在 特に 階層性及び（本発表 は触れ

な が）

ノ 援用過程が重要

ご静聴ありがとうございました

存在．特に、階層性及び（本発表では触れていないが）フォノン援用過程が重要．

ご静聴ありがとうございました。

https://sites.google.com/site/makotonaruseweb/

詳細は

謝辞



情報通信研究機構関連各位



東京大学 大津

教授 竪 直也特任助教ほか関連各位



東京大学 大津元一教授、竪 直也特任助教ほか関連各位



理化学研究所・東京工業大学原正彦教授、理化学研究所金成

主研究員

主研究員



山梨大学 堀 裕和教授ほか関連各位



ナノ光情報システム研究グル プ関連各位



ナノ光情報システム研究グループ関連各位



情報ネットワーク科学研究会関連各位



本研究の

部は総務省SCOPE及び科研費の支援を受けた

http://www.i-photonics.jp/nano/

http://www.ieice.org/~netsci/



本研究の一部は総務省SCOPE及び科研費の支援を受けた．