Устройство факторизации на основе волнового логического элемента Российский патент 2023 года по МПК G06N7/08 G06N7/04 H01P1/218 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах телекоммуникаций в качестве быстродействующего устройства факторизации, используемого при кодировании/декодировании сигнала и проведении математических операций.

Из существующего уровня техники (Gilowski M. et al. Gauss sum factorization with cold atoms //Physical Review Letters. – 2008. – Т. 100. – №. 3. – С. 030201.) известно устройство, предназначенное для выполнения операции факторизации, работающее на принципах работы волновой интерференции и квантового алгоритма Шора. Установка использует эффект ядерного магнитного резонанса. Для работы используется поток охлажденных атомов рубидия. На поток атомов последовательно подается инициирующий импульс, переводящий атомы в нестабильное состояние, и серия импульсов, отличающихся по фазе. Фаза подаваемых импульсов пропорциональна отношению факторизируемого числа N к множителю l. Регистрируется переизлученный потоком атомов сигнал. В случае, если отношение N/l является целочисленным, то переизлученные от атомов сигналы когерентны и выходной детектор регистрирует относительно большую переизлученную мощность. Таким образом максимальный уровень переизлученного сигнала соответствует целочисленным отношениям N/l, в этом случае число l является целочисленным множителем числа N.

Достоинствами такой конструкции является возможность проведения факторизации быстрее, чем при помощи программ на ЭВМ. Недостатками данной конструкции являются размеры и сложность управления устройством факторизации, вытекающая из того, что для работы необходима охлаждающая система и магнитооптическая ловушка, что делает устройство громоздким и сложным в обслуживании.

Из существующего уровня техники известно устройство (Khivintsev Y. et al. Prime factorization using magnonic holographic devices //Journal of Applied Physics. – 2016. – Т. 120. – №. 12. – С. 123901.), пригодное для выполнения операции факторизации. Устройство функционирует на основе принципов работы волновых логических элементов. Устройство представляет собой спин-волновой многоплечевой интерферометр, выполненный на основе магнитной пленки со множеством входных плеч и одним выходным. Перед входными плечами установлены управляемые сверхвысокочастотные аттенюаторы и фазовращатели. Входные и выходные плечи через систему делителей сигнала соединены с портами векторного анализатора цепей. Выходное плечо через усилитель соединено со входом векторного анализатора цепей. Управление амплитудами входных сигналов осуществляется с помощью аттенюаторов.

Достоинствами конструкции на основе магнитной пленки является возможность проведения факторизации быстрее, чем при помощи программ на ЭВМ. Продемонстрировано, что благодаря использованию магнитной пленки в качестве среды для интерференции волн значительно уменьшаются размеры логического элемента вплоть до единиц микрон. Показано, что устройства на спиновых волнах могут осуществлять обработку информации быстрее, чем устройства на полупроводниковых элементах.

Указанная конструкция имеет существенные недостатки. Для работы устройства необходимо наличие сверхвысокочастотных аттенюаторов и фазовращателей числом, равным числу входных портов, что увеличивает габариты устройства, а обработка результатов требует последовательного изменения амплитуд сигналов на всех входных портах, поиск цикличности в результатах выходного сигнала и проведения дополнительной математической операции по поиску общего делителя между получившимся числом и искомым, что увеличивает время работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности, заявляемому устройству факторизации величины фазового набега на принципах магноники, является устройство предназначенное для выполнения операции факторизации, описанное в (Rangelov A. A. Factorizing numbers with classical interference: several implementations in optics //Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. – 2009. – Т. 42. – №. 2. – С. 021002). Физический принцип работы устройства основан на принципах работы волновых логических схем. Данное устройство производит вычисления за счет перестройки многочастотного перестраиваемого фильтра, выполненного в виде оптического многоплечевого интерферометра. В качестве источника волнового сигнала выступает прецизионно перестраиваемый оптический лазер. Излучение от лазера поступает на входной порт фильтра на основе многоплечевого интерферометра. К выходному порту фильтра подключено устройство измерения мощности сигнала. Для работы устройства необходимо иметь возможность одновременного пропорционального изменения электрической длины всех плеч интерферометра.

Принцип работы описанного устройства следующий. Оптический сигнал от лазера подается на входной порт оптического интерферометра с плечами, обладающими на рабочей длине волны лазера электрической длиной $${\psi }_m=2\pi m^{s}N/l$$, где, m – номер плеча интерферометра, s – произвольное целое число, влияющее на степень крутизны фильтрующей характеристики, N –– значение факторизируемого числа, l – основание факторизации, на которое выполняется проверка делимости числа N. На выходном порте оптического интерферометра амплитуда оптического сигнала, поступающего на устройство измерения мощности, пропорциональна $$A\left(l\right)=\frac{1}{M}{\displaystyle \sum _{m=1}^M\exp \left(-i2\pi m^s\frac{N}{l}\right)}$$, где M – число плеч интерферометра. Передаточная характеристика интерферометра обладает максимумом коэффициента передачи в случае, если факторизиуемое число N кратно основанию факторизации l. При проведении операции факторизации электрическая длина линии последовательно меняется по основанию l. Фиксируются значения l, при которых получается максимальная мощность выходного сигнала. В качестве способа перестройки электрической длины в работе предложено использовать плечи интерферометра одинаковой длины L, но разного показателя преломления $$n_m=a+b{m}^k$$, здесь a и b коэффициенты, определяемые материалом. Соотношение $$N/l$$ определяется соотношением $$bL/\lambda$$. Перебор основания факторизации осуществляется путем перебора длины волны прецизионно перестраиваемого лазера, а изменение факторизируемого числа возможно через изменение электрической длины плеч интерферометра, которое определяется произведением $$bL$$, т.е. устройство должно иметь возможность дистанционного управления коэффициентом показателя преломления $$b$$ и/или длины следования оптического сигнала $$L$$ в плечах интерферометра.

Описанное устройство факторизации выигрывает по скорости работы при проведении факторизации при помощи программ на ЭВМ и устройств факторизации, работающих на основе других алгоритмов, например, алгоритма Шора.

Данная известная конструкция прототипа имеет существенные недостатки. Для работы устройства необходим дорогостоящий прецизионно-перестраиваемый лазер, а плечи интерферометра необходимо подобрать из материалов, с показателем преломления, подчиняющимся закону $$n_m=a+b{m}^k$$, что технически труднодостижимо (Iizuka K. Elements of Photonics, – John Wiley & Sons, 2002. ). Из описания следует, что размеры плеч интерферометра имеют размеры порядка десятков сантиметров. Кроме того, в работе не описан способ изменения электрической длины плеч интерферометра.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание технически реализуемого, простого в перестройке устройства факторизации сигнала, не требующего дорогостоящего прецизионно перестраиваемого источника лазерного излучения, с малыми размерами логического элемента и увеличение видов волновых приборов факторизации.

В предлагаемой конструкции устройства факторизации на основе волнового логического элемента так же, как и прототип, содержит перестраиваемый фильтр, выполненный в виде многоплечевого многочастотного перестраиваемого интерферометра с входным и выходным портами, и измеритель мощности выходного сигнала, отличающейся тем, что перестраиваемый фильтр выполнен в виде спин-волнового фильтра на основе магнитной пленки, являющейся волноводом спиновых волн, расположенной между полюсами перестраиваемого электромагнита, создающего однородное магнитное поле подмагничивания, при этом входной порт подсоединен к одноэлементной антенне спиновых волн, а выходной порт подсоединен к многоэлементной антенне, также выходной порт фильтра соединен со входом многочастотного узкополосного неперестраиваемого СВЧ-фильтра, выход которого соединен со входом широкополосного СВЧ-усилителя, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, выход первичной линии которого соединен со входным портом фильтра на основе перестраиваемого интерферометра, а выход вторичной линии направленного ответвителя соединен с измерителем мощности выходного сигнала.

Технический результат заключается в уменьшении размеров используемого интерферометра и в отказе от использования дорогостоящего прецизионно перестраиваемого источника лазерного излучения. Данный результат достигается за счет того, что в качестве управляемого логического элемента – многочастотного многоплечевого фильтра на основе интерферометра используется спин-волновой фильтр на основе магнитной пленки, находящейся в поле электромагнита, а сама конструкция устройства факторизации выполнена по кольцевой схеме, состоящей из последовательно включенных спин-волнового фильтра, многочастотного узкополосного неперестраиваемого СВЧ-фильтра с расстоянием между полосами пропускания кратным расстоянию между полосами пропускания спин-волнового фильтра, широкополосного СВЧ-усилителя и направленного ответвителя, к вторичному выводу которого подсоединен измеритель мощности сигнала. Использование пленки феррита в качестве среды обработки сигнала позволяет уменьшить размеры интерферометра в несколько раз за счет того интерферометр изготавливается из одного волноведущего элемента и двух антенн.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На Фиг. 1 приведена блок-схема устройства факторизации. На Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены характеристики передачи, демонстрирующие формирование передаточной характеристики системы спин-волновой интерферометр/сверхвысокочастотный фильтр. На Фиг. 4 (а) приведено максимальное значение коэффициента передачи системы спин-волновой интерферометр/сверхвысокочастотный фильтр при различных значениях основания факторизации. На Фиг. 4 (б) приведено значение амплитуды сигнала на выходе из направленного ответвителя при различных значениях основания факторизации.

Устройство факторизации содержит спин-волновой фильтр, выполненный в виде интерферометра, изготовленного из магнитной пленки, в качестве которой может быть использована плёнка железо-иттриевого граната 1, выращенная на подложке гадолиний галлиевого граната. Магнитная пленка помещена между полюсами электромагнитной системы 2 во внешнее постоянное однородное магнитное поле. Величиной поля можно управлять. Вход спин-волнового фильтра содержит одноэлементную антенну спиновых волн 3. Выход спин-волнового фильтра содержит антенну спиновых волн 4, состоящую из М элементов и соединен с СВЧ фильтром 5, к выходу которого через СВЧ-усилитель 6 подсоединён вход направленного ответвителя 7 основное выходное плечо которого соединено со входом спин-волнового фильтра, а вспомогательное плечо соединено с измерителем СВЧ-мощности 8.

Описанное устройство функционирует на основе принципов работы волновых логических элементов. Как и в известном устройстве (Khivintsev Y. et al. Prime factorization using magnonic holographic devices //Journal of Applied Physics. – 2016. – Т. 120. – №. 12. – С. 123901.), управляющим элементом выступает волновод спиновых волн с антеннами. Возбуждающая антенна способна возбуждать в волноводе бегущие спиновые волны. Принимающая антенна состоит из нескольких элементов, соединённых между собой, и амплитуда выходного сигнала определяется интерференцией волн в многоэлементной приемной антенне и пропорциональна (Калиникос Б. А., Устинов А. Б., Баруздин С. А. Спин-волновые устройства и эхо-процессоры //Радиотехника. – 2013. – С. 216.) $$A\left(\beta \right)=\frac{1}{M}{\displaystyle \sum _{m=1}^M\exp \left(-i\beta L_m\right)}$$, где M – число элементов в принимающей антенне, $$L_m$$ – расстояние от возбуждающей антенны до приёмной с индексом m; $$\beta$$ – волновое число спиновой волны. В предлагаемой конструкции $$L_m=m^s\cdot L_0$$, где s – произвольное целое число, влияющее на степень крутизны фильтрующей характеристики; $$L_0$$ – выбранное расстояние между антеннами. Волновое число спиновой волны $$\beta$$ на заданной частоте может быть изменено путем изменения величины поля подмагничивания. В частности, в случае если поле подмагничивания направлено перпендикулярно плоскости пленки, то взаимосвязь частоты и волнового числа для спиновой волны низшего типа может быть определена из приближенного выражения $${\text{ω}}_{}^2={\text{ω}}_H\left[{\text{ω}}_H+{\text{ω}}_M\left(1-\frac{1-e^{-\beta h}}{\beta h}\right)\right]$$, где $${\text{ω}}_H=2\pi \left|\gamma \right|H$$, $${\text{ω}}_M=2\pi \left|\gamma \right|M_0$$, M₀ – намагниченность насыщения, H – величина поля подмагничивания, $$\left|\gamma \right|$$ – гиромагнитное отношение, h – толщина магнитной пленки. Таким образом, величину волнового числа на выбранной частоте и электрическую длину плеч спин-волнового интерферометра можно регулировать путем изменения величины поля подмагничивания. В предлагаемой конструкции величина поля подмагничивания определяется соотношением $$H=H_0-\frac{\Delta f}{\left|\gamma \right|}\cdot \frac{N}{l}$$, где N – факторизируемое число, l – множитель факторизируемого числа, $$\Delta f$$ – расстояние между полосами пропускания неперестраиваемого сверхвысокочастотного фильтра, расположенного за спин-волновым фильтром.

Принцип действия устройства факторизации основан на следующей последовательности процессов: сверхвысокочастотный сигнал, поступает на входную антенну спин-волнового интерферометра и выходит через выходную антенну на частотах пропускания, определяемых толщиной магнитной пленки, направлением и величиной поля подмагничивания, спектром входного сигнала и конфигурацией выходной микрополосоковой антенны. С выхода спин-волнового интерферометра сигнал поступает на вход неперестраиваемого полоснопропускающего многополосного сверхвысокочастотного фильтра и проходит его на частотах, соответствующих полосам пропускания. Прошедший сигнал поступает на СВЧ-усилитель, где усиливается, и через выходное основное плечо направленного ответвителя поступает снова на вход спин-волнового интерферометра. Часть мощности поступает на измеритель СВЧ-мощности через вспомогательное плечо направленного ответвителя.

Спин-волновой интерферометр имеет полосы пропускания, отстоящие друг от друга по частоте на величину, кратную $$\Delta f$$. Система настроена так, что в случае, если соотношение N/l является целочисленным, то полосы пропускания спин-волнового интерферометра и сверхвысокочастотного фильтра совпадают, и система спин-волновой интерферометр/сверхвысокочастотный фильтр пропускает сигнал на одной или нескольких частотах. В случае, если соотношение N/l не является целочисленным, то полосы пропускания спин-волнового интерферометра и сверхвысокочастотного фильтра не совпадают. В этом случае эффективного прохождения сигнала не наблюдается.

В представленной конструкции отсутствует источник СВЧ-сигнала как отдельный элемент схемы и сигнал, поступающий на вход спин-волнового фильтра является тепловым шумом. В описанной схеме устройства факторизации возможно начало генерации сверхвысокочастотного сигнала при условии, что коэффициент усиления сверхвысокочастотного усилителя G превышает суммарные потери в цепи обратной связи (Rubiola E. Phase noise and frequency stability in oscillators. – Cambridge University Press, 2008. – С. 220.), включая потери в спин-волновом интерферометре $$S_{СВ\_фильтра}$$ и сверхвысокочастотном фильтре $$S_{СВЧ\_фильтра}$$
($$G\ge S_{СВЧ\_фильтра}·S_{СВ\_фильтра}$$).

Величина коэффициента усиления сверхвысокочастотного усилителя должна быть подобрана так, чтобы при высоком значении коэффициента передачи системы спин-волновой интерферометр/сверхвысокочастотный фильтр, соответствующего целочисленным значениям N/l, происходила генерация СВЧ сигнала и не происходила в случае, если отношение N/l не является целочисленным.

Рассмотрим возможность проведения операции факторизации на примере простейшей конструкции, состоящей из магнитной пленки толщиной 5 мкм, намагниченностью насыщения M₀ = 1750 Гс, с внутренним полем подмагничивания H₀ = 1000 Э. Конструкция спин-волнового интерферометра содержит одноэлементную входную антенну спиновых волн и выходную антенну из четырех элементов отстоящих друг от друга по закону, $$L_m=m^1\cdot L_0$$, где m – номер элемента антенны, $$L_0$$ = 3 мм. Такие параметры конструкции спин-волновых устройств достижимы на современном этапе развития технологии (Sarker M. S. et al. Multifrequency Spin-Wave Propagation for Parallel Data Processing using Microstructured Yttrium Iron Garnet Thin Films //IEEE Transactions on Magnetics. – 2021.). При моделировании передаточной характеристики спин-волнового фильтра рассчитывался коэффициент передачи без учета эффективности возбуждающих антенн в пренебрежении магнитной диссипацией.

В качестве неперестраиваемого сверхвысокочастотного фильтра при моделировании был выбран фильтр с $$\Delta f$$ равным 12,6 МГц на основе оптоволоконных линий задержки с эффективной длиной оптического волокна кратной 23,8 м. Такой сверхвысокочастотный фильтр может быть изготовлен на современном этапе развития технологии (Capmany J., Ortega B., Pastor D. A tutorial on microwave photonic filters //Journal of Lightwave Technology. – 2006. – Т. 24. – №. 1. – С. 201-229).

В качестве примера работы предложенного устройства факторизации можно продемонстрировать возможность произвести операцию факторизации числа N = 21. Для этого на спин-волновой интерферометр подается поле подмагничивания в соответствии с соотношением $$H=H_0-\frac{\Delta f}{\left|\gamma \right|}\cdot \frac{N}{l}$$, где N – факторизируемое число, l – основание по которому проводится проверка деления. Регистрируется уровень сигнала на вторичном выходе направленного ответвителя. На Фиг.2 приведены нормированные коэффициенты передачи, соответствующие случаю N/l=21/7, т.е. для случая, когда N может быть поделено на l без остатка. При моделировании не учитывалось влияние антенн спиновых волн на передаточную характеристику спин-волнового интерферометра. На Фиг. 3. приведены нормированные коэффициенты передачи, соответствующие случаю N/l=21/8, когда число N не может быть поделено на l без остатка. На Фиг. 4 (а) приведено максимальное значение коэффициента передачи системы спин-волновой интерферометр/сверхвысокочастотный фильтр. Пунктирной линией отмечен уровень усиления СВЧ-усилителя G=0,8. На Фиг. 4 (б) приведено значение мощности сигнала на вспомогательном плече направленного ответвителя, поступающее на измеритель мощности при различных значениях l. Видно, что в предложенной конструкции наблюдается генерация сигнала, позволяющая однозначно идентифицировать основания факторизации.

Таким образом, использование вместо оптического интерферометра спин-волнового интерферометра позволяет уменьшить размеры логического элемента до нескольких сантиметров, за счет того интерферометр изготавливается из одного волноведущего элемента и двух антенн. Использование в качестве основы устройства кольцевой схемы, состоящей из последовательно включенных спин-волнового фильтра, многочастотного узкополосного неперестраиваемого СВЧ-фильтра с расстоянием между полосами пропускания кратным расстоянию между полосами пропускания спин-волнового фильтра, широкополосного СВЧ-усилителя и направленного ответвителя, к вторичному выводу которого подсоединен измеритель мощности сигнала, позволяет отказаться от необходимости использования дорогостоящего прецизионно перестраиваемого источника лазерного излучения.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в уменьшении размеров используемого интерферометра, без уменьшения вычислительной производительности. Устройство факторизации на основе волнового логического элемента, содержащее перестраиваемый фильтр, выполненный в виде многоплечевого многочастотного перестраиваемого интерферометра с входным и выходным портами, и измеритель мощности выходного сигнала, при этом перестраиваемый фильтр выполнен в виде спин-волнового фильтра на основе магнитной пленки, являющейся волноводом спиновых волн, расположенной между полюсами перестраиваемого электромагнита, создающего однородное магнитное поле подмагничивания, при этом входной порт подсоединен к одноэлементной антенне спиновых волн, а выходной порт подсоединен к многоэлементной антенне, также выходной порт фильтра соединен со входом многочастотного узкополосного неперестраиваемого СВЧ-фильтра, выход которого соединен со входом широкополосного СВЧ-усилителя, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, выход первичной линии которого соединен со входным портом фильтра на основе перестраиваемого интерферометра, а выход вторичной линии направленного ответвителя соединен с измерителем мощности выходного сигнала. 4 ил.

Устройство факторизации на основе волнового логического элемента, содержащее перестраиваемый фильтр, выполненный в виде многоплечевого многочастотного перестраиваемого интерферометра с входным и выходным портами, и измеритель мощности выходного сигнала, отличающееся тем, что перестраиваемый фильтр выполнен в виде спин-волнового фильтра на основе магнитной пленки, являющейся волноводом спиновых волн, расположенной между полюсами перестраиваемого электромагнита, создающего однородное магнитное поле подмагничивания, при этом входной порт подсоединен к одноэлементной антенне спиновых волн, а выходной порт подсоединен к многоэлементной антенне, также выходной порт фильтра соединен со входом многочастотного узкополосного неперестраиваемого СВЧ-фильтра, выход которого соединен со входом широкополосного СВЧ-усилителя, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, выход первичной линии которого соединен со входным портом фильтра на основе перестраиваемого интерферометра, а выход вторичной линии направленного ответвителя соединен с измерителем мощности выходного сигнала.