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2017 Fiscal Year Annual Research Report

量子アニーリングが拓く機械学習と計算技術の新時代

Research Project

Project/Area Number 15H03699
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

大関 真之  東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (80447549)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 安田 宗樹  山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (20532774)
田中 宗  早稲田大学, 高等研究所, 准教授(任期付) (40507836)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Keywords量子アニーリング / 統計的機械学習 / スピングラス模型
Outline of Annual Research Achievements

量子アニーリングマシンで行われた計算結果をもとに、内部状態を推定するスキームを確立するために、深層学習を用いた推定方法の確立を目指した。古典的な系における相転移点を推定するスキームを拡張することにより、量子系においても同様に相転移点を推定できると判断した。
試しに量子モンテカルロ法により生成されたスピン配位をトロッター方向に並べたものを利用して、それを入力データ、実験条件を出力データとして、ニューラルネットワークの最適化を実行する。すると量子系の相転移点の前後においてニューラルネットワークの状態の大幅な変化が見られることがわかった。トロッター方向に並べた結果を、観測結果による異なる実現結果であると解釈することで量子アニーリングマシンからの出力結果をそのまま利用することができる。結果は次年度以降に出版する予定であるが、事前の実験結果によると、相転移点を推定することに成功しており、多少のズレは伴うものの同様な相転移点を確認することができた。量子アニーリングマシンと設定パラメータの関係性は、実際の製作者であれば知ることが徹底的な実験の元できるが、ユーザーとして利用する際には、こう言った推定スキームが絶対不可欠となる。
他に関連する研究展開として、スピングラス模型の基底状態の転移点を推定する手法を拡張した成果、量子モンテカルロ法を利用したデータ解析という新しい展開を見せた。また量子速度限界について、それは量子系特有の性質ではないことを示すことなど多様な展開を見せている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

量子アニーリングマシンに関する性質を解き明かし、前年度の適応的量子モンテカルロ法の加速に利用するための下準備も整ったため。

Strategy for Future Research Activity

D-Wave Systems社の量子アニーリングマシンを活用して、量子モンテカルロ法の計算部分を置き換えることにより計算の加速を行うこと、量子アニーリングマシンでも現時点では不可能である特殊な量子ゆらぎの活用をシミュレートすることを目指す。

  • Research Products

    (28 results)

All 2018 2017

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 5 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Deep Neural Network Detects Quantum Phase Transition2018

    • Author(s)
      Arai Shunta、Ohzeki Masayuki、Tanaka Kazuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 87 Pages: 033001~033001

    • DOI

      https://doi.org/10.7566/JPSJ.87.033001

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] An Extension of Estimation of Critical Points in Ground State for Random Spin Systems2018

    • Author(s)
      Ohzeki Masayuki、Kudo Yuta、Tanaka Kazuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 87 Pages: 015001~015001

    • DOI

      https://doi.org/10.7566/JPSJ.87.015001

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantum Speed Limit is Not Quantum2018

    • Author(s)
      Okuyama Manaka、Ohzeki Masayuki
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 120 Pages: 1~5

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.070402

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sparse modeling approach to analytical continuation of imaginary-time quantum Monte Carlo data2017

    • Author(s)
      Otsuki Junya、Ohzeki Masayuki、Shinaoka Hiroshi、Yoshimi Kazuyoshi
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 95 Pages: 1~6

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.061302

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Compressing Green's function using intermediate representation between imaginary-time and real-frequency domains2017

    • Author(s)
      Shinaoka Hiroshi、Otsuki Junya、Ohzeki Masayuki、Yoshimi Kazuyoshi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 96 Pages: 1~8

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.035147

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Machine learningの医学研究領域への利用  現代の魔法は本物か?ディープラーニング入門2017

    • Author(s)
      大関 真之
    • Journal Title

      INNERVISION

      Volume: 9月号 Pages: 50~53

  • [Presentation] Quantum annealing for deep neural network2018

    • Author(s)
      Masayuki Ohzeki, Shuntaro Okada, Masayoshi Terabe, Shinichiro Taguchi
    • Organizer
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 3D reconstruction of TEM-CT via D-Wave2018

    • Author(s)
      Masamichi J. Miyama, Chihiro H. Nakajima, Masayuki Ohzeki
    • Organizer
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Exponential Acceleration of Grover’s Search by Imaginary-Time Quantum Annealing2018

    • Author(s)
      Shuntaro Okada, Masayuki Ohzeki
    • Organizer
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The application of D-wave 2000Q to detect quantum phase transition by deep neural network2018

    • Author(s)
      Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
    • Organizer
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Statistical mechanical analysis of Hamiltonian estimation of Ising spin glass based on the framework of statistical query learning2018

    • Author(s)
      Chako Takahashi, Masayuki Ohzeki, Shuntaro Okada, Masayoshi Terabe, Shinichirou Taguchi, Kazuyuki Tanaka
    • Organizer
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 詳細つりあいを破ったMetropolis法の拡張2018

    • Author(s)
      一木 輝久, 大関 真之
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] 量子速度限界の古典対応物2018

    • Author(s)
      奥山 真佳、大関 真之
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] 中性子散乱におけるスパースモデリングの応用2018

    • Author(s)
      世永 公輝, 林田 翔平, 大関 真之, 益田 隆嗣
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] 多体グリーン関数の自然な疎表現と計算物理学への応用2018

    • Author(s)
      品岡 寛, 大槻 純也, 大関 真之, 吉見 一慶
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] Sparse modeling: how to solve the ill-posed problem2017

    • Author(s)
      Masayuki Ohzeki
    • Organizer
      Machine Learning and Many-Body Physics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Sparse modeling: a revolution on various measurements2017

    • Author(s)
      Masayuki Ohzeki
    • Organizer
      Data Science Summer School
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Machine Learning: Introduction and Applications to Monitoring2017

    • Author(s)
      Masayuki Ohzeki
    • Organizer
      2017 Asia-Pacific-Euro Summer School on Smart Structures Technology(APESS)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantum Annealing - a new paradigm for machine learning and computation2017

    • Author(s)
      Masayuki Ohzeki
    • Organizer
      7th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effect and Quantum Information
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Sparse modeling for quantum Monte-Carlo simulation2017

    • Author(s)
      Masayuki Ohzeki
    • Organizer
      International Meeting on “High-Dimensional Data-Driven Science” (HD3-2017)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Simulated annealingを用いた低ランク行列補完2017

    • Author(s)
      三上 譲治, 関 優也, 片岡 駿, 大関 真之, 田中 和之
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] エネルギーの観点から見た詳細つりあいを破る マルコフ連鎖モンテカルロ法2017

    • Author(s)
      一木 輝久、大関 真之
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] 圧縮センシングによるイジング相互作用の推定2017

    • Author(s)
      高橋 茶子, 岡田 俊太郎,寺部 雅能, 田口 慎一郎, 大関 真之, 田中 和之
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] ニューラルネットワークによる様々な相転移の検出2017

    • Author(s)
      荒井 俊太, 大関 真之, 片岡 駿, 田中 和之
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] スパースモデリングを活用した量子モンテカルロデータの 解析接続~オープンソースソフトウェア紹介および利用事例の紹介2017

    • Author(s)
      吉見 一慶,大槻 純也, 大関 真之, 品岡 寛
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] 量子アニーリングの高速化に向けた断熱定理の再考2017

    • Author(s)
      岡田俊太郎, 田中宗, 大関真之, 寺部雅能, 田口慎一郎
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] Sparse modeling - revolution on various measurements2017

    • Author(s)
      大関 真之
    • Organizer
      2017 Bilateral Workshop between Tohoku University and National Tsing Hua University
    • Int'l Joint Research
  • [Book] ベイズ推定入門2018

    • Author(s)
      大関真之
    • Total Pages
      192
    • Publisher
      株式会社オーム社
    • ISBN
      978-4274221392

URL: 

Published: 2018-12-17  

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