Combinatorial optimization by quantum computing: Control of quantum dynamics for efficient calculation

• Project/Area Number: 18K11333
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60100:Computational science-related
• Research Institution: Ochanomizu University
• Principal Investigator: Kudo Kazue お茶の水女子大学, 基幹研究院, 准教授 (30505574)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
• Keywords: 量子ダイナミクス / 組み合わせ最適化 / イジングマシン / 量子アニーリング / グラフ彩色

Outline of Final Research Achievements

Quantum computing can be classified into the quantum-gate and quantum-annealing (QA) models. This project focuses on QA and aims to study methods to solve combinatorial optimization problems efficiently. We obtained novel results on constrained quantum annealing using the symmetry of the system and localization phenomena that can occur in the QA process. We also proposed new methods such as machine learning and pattern formation besides simple optimization problems, using special devices (Ising machine) inspired by the QA-model computer.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

量子計算の実現には、量子ダイナミクスの制御が重要となる。本研究で得られた制約量子アニーリングの結果や局在現象に関する知見は、量子ダイナミクスの制御に密接に関わるものである。本研究の成果は、量子ダイナミクスの理解や、新奇な視点の提案という点で、学術的な意義をもつ。社会的にも量子技術への期待が高まる中、実用的な問題への適用可能性を示す結果が得られたことは、今後の研究開発への貢献という意味でも有益である。

Research Products

• [Journal Article] Distance-based clustering using QUBO formulations (2022)
  • Author(s): Matsumoto Nasa, Hamakawa Yohei, Tatsumura Kosuke, Kudo Kazue
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 2669-2669
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06559-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Compressed sensing based on QUBO formulation (2022)
  • Author(s): Kudo Kazue
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2207 Issue: 1 Pages: 012033-012033
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2207/1/012033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pattern Formation Simulated by an Ising Machine (2021)
  • Author(s): Mukai Kanon, Kudo Kazue
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 2 Pages: 025004-025004
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.025004
  • NAID: 210000158821
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Localization in the Constrained Quantum Annealing of Graph Coloring (2020)
  • Author(s): Kudo Kazue
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 6 Pages: 064001-064001
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.064001
  • NAID: 40022254123
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Image Analysis Based on Nonnegative/Binary Matrix Factorization (2020)
  • Author(s): Asaoka Hinako, Kudo Kazue
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 8 Pages: 085001-085001
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.085001
  • NAID: 130008152913
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Finite-size scaling with respect to interaction and disorder strength at the many-body localization transition (2018)
  • Author(s): Kazue Kudo, Tetsuo Deguchi
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 97 Issue: 22 Pages: 220201-220201
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.220201
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Constrained quantum annealing of graph coloring (2018)
  • Author(s): Kazue Kudo
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 98 Issue: 2 Pages: 022301-022301
  • DOI: 10.1103/physreva.98.022301
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 量子計算による量子多体局在の判定 (2022)
  • Author(s): 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] Compressed sensing using an Ising machine (2021)
  • Author(s): Kudo Kazue
  • Organizer: XXXII IUPAP Conference on Computational Physics (CCP2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Clustering with an Ising machine (2021)
  • Author(s): Nasa Matsumoto, Yohei Hamakawa, Kosuke Tatsumura, Kazue Kudo
  • Organizer: Adiabatic Quamtum Computing 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イジングマシンを用いたパターン形成 (2021)
  • Author(s): 向井かのん, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] イジングマシンによる巡回セールスマン問題の段階的解法 (2021)
  • Author(s): 大石美賀, 濱川洋平, 辰村光介, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] イジングマシンを用いたクラスタリング (2021)
  • Author(s): 松本奈紗, 濱川洋平, 辰村光介, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Pattern formation simulationusing an Ising machine (2021)
  • Author(s): Kanon Mukai, Kazue Kudo
  • Organizer: Adiabatic Quamtum Computing 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アニーリングマシンによる配送計画最適化 (2021)
  • Author(s): 松本奈紗, 大石美賀, 工藤和恵
  • Organizer: 日本オペレーションズ・リサーチ学会 2021年春季研究発表会
• [Presentation] 二値制約非負値行列分解を用いる画像分類 (2021)
  • Author(s): 朝岡日向子, 工藤和恵, 白井達彦, 田中宗, 戸川望
  • Organizer: 第2回量子ソフトウェア研究発表会
• [Presentation] イジングマシンを用いたパターン形成 (2020)
  • Author(s): 向井かのん, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] アニーリングに基づくアルゴリズムによる画像の多値分類 (2020)
  • Author(s): 坂倉佑季, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 辞書学習を利用した画像分類 (2020)
  • Author(s): 朝岡日向子, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 乗り合いのマッチング最適化 (2020)
  • Author(s): 佐藤由佳, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] アニーリングマシンを用いた配送ルート最適化 (2020)
  • Author(s): 大石美賀, 松本奈紗, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 配送ルート最適化問題におけるクラスタリング (2020)
  • Author(s): 松本奈紗, 大石美賀, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 配送ルート最適化問題におけるクラスタリング (2020)
  • Author(s): 松本奈紗, 大石美賀, 工藤和恵
  • Organizer: 第23回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] アニーリングマシンを用いた乗り合いのマッチング最適化 (2020)
  • Author(s): 佐藤由佳, 工藤和恵, 白井達彦, 田中宗, 戸川望
  • Organizer: 第23回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] 辞書学習を利用した画像解析 (2020)
  • Author(s): 朝岡日向子, 工藤和恵, 白井達彦, 田中宗, 戸川望
  • Organizer: 第23回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] アニーリングに基づくアルゴリズムによる画像の多値分類 (2020)
  • Author(s): 坂倉佑季, 工藤和恵, 白井達彦, 田中宗, 戸川望
  • Organizer: 第23回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] 制約量子アニーリングにおける局在現象 (2020)
  • Author(s): 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会
• [Presentation] アニーリングマシンによる配送ルート最適化 (2020)
  • Author(s): 松本奈紗, 大石美賀, 工藤和恵
  • Organizer: 日本オペレーションズ・リサーチ学会 2020年春季研究発表会
• [Presentation] Constrained quantum annealing of graph coloring (2019)
  • Author(s): Kazue Kudo
  • Organizer: Frontiers of Statistical Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Constrained quantum annealing of graph coloring (2019)
  • Author(s): Kazue Kudo
  • Organizer: Adiabatic Quantum Computing 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子アニーリングにおける多体局在転移 (2019)
  • Author(s): 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] 制約量子アニーリングにおける局在現象 (2019)
  • Author(s): 工藤和恵
  • Organizer: 第41回量子情報技術研究会
• [Presentation] アニーリングマシンを用いた輸送効率化 (2019)
  • Author(s): 佐藤由佳, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] 二値制約非負値行列分解を利用した画像解析 (2019)
  • Author(s): 朝岡日向子, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] QBoostを用いた画像分類 (2019)
  • Author(s): 坂倉佑季, 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] 二値制約非負値行列分解を利用した画像解析 (2019)
  • Author(s): 朝岡日向子, 工藤和恵
  • Organizer: 第41回量子情報技術研究会
• [Presentation] アニーリングマシンを用いた配車マッチング (2019)
  • Author(s): 佐藤由佳, 工藤和恵
  • Organizer: 第22回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] QBoostを用いた画像分類 (2019)
  • Author(s): 坂倉佑季, 工藤和恵
  • Organizer: 第22回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] 二値制約非負値行列分解を利用した画像解析 (2019)
  • Author(s): 朝岡日向子, 工藤和恵
  • Organizer: 第22回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] 制約量子アニーリングを用いたグラフ彩色 (2019)
  • Author(s): 工藤和恵
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] Constrained quantum annealing of graph coloring (2019)
  • Author(s): Kazue Kudo
  • Organizer: Coherent Network Computing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 制約量子アニーリングのグラフ彩色への適用 (2018)
  • Author(s): 工藤和恵
  • Organizer: 第39回量子技術研究会
• [Remarks] 研究業績
  • URL: https://www.is.ocha.ac.jp/~kudo/publication.html
• [Remarks] 研究内容
  • URL: https://www.is.ocha.ac.jp/~kudo/research.html
• [Remarks] 研究業績
  • URL: http://www.is.ocha.ac.jp/~kudo/publication.html
• [Remarks] 研究内容
  • URL: http://www.is.ocha.ac.jp/~kudo/research.html