材料観察画像からの機能推定

• 研究領域: 次世代物質探索のための離散幾何学
• 研究課題/領域番号: 17H06469
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 一木 輝久 名古屋大学, 未来社会創造機構, 特任准教授 (40711156)
• 研究分担者: 大関 真之 東北大学, 情報科学研究科, 教授 (80447549)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 52,130千円 (直接経費: 40,100千円、間接経費: 12,030千円); 2021年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2020年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2019年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2018年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2017年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
• キーワード: 統計力学 / 機械学習 / マテリアルズ・インフォマティクス / 最適化問題 / 量子アニーリング / トポロジー / 情報理論 / マテリアルズインフォマティクス / 非線形多体系 / ニューラルネットワーク / ネットワーク・アーキテクチャ / 統計的推定 / 画像処理 / スパース性 / モデル選択 / 物質構造 / トポロジカル超伝導 / 非平衡統計力学 / 物性理論 / 画像

研究成果の概要

機械学習を高機能材料の開発に利用することがマテリアルズ・インフォマティクスの主眼であるが、安全な材料開発のためには、予測された材料の機能を人間が理解できる形で説明する必要がある．そこで本研究では、物質の構造と機能という、材料科学における人間の理解の本質をなす二要素の間の関係を明らかすべく研究を行い、物質の3次元構造や、分子式によって示唆される物質の構造が、確かにその材料が示す物性値の予想に利用できることを示した．また、機械学習は一般に最適化問題として理解できるが、その計算時間と計算精度のトレードオフ関係を明らかにした．これによってより効率的な機械学習アルゴリズムが構築できるものと期待される．

研究成果の学術的意義や社会的意義

材料開発分野において機械学習の積極的利用の必要性が認識され、マテリアルズ・インフォマティクスという研究領域が開拓されて久しい．一方で、従来の機械学習は大量のデータに合わせた傾向を出力するにとどまり、材料の示す多様な物性を予測できるほどの表現力を獲得していない．また、通常の機械による学習は単なるパラメータの調節にすぎないため、背景にある理論が無視され、材料世界の科学的理解を助ける道具としては不十分である．本研究ではこの困難を解消し安心して機械学習を利用するため、(i)材料物性の理論的理解を助けるための機械学習、(ii)計算結果の精度とそれを得るまでにかかるコストの評価に焦点を当てて研究を行った．

研究成果

• [国際共同研究] ケルン大学(ドイツ)
• [雑誌論文] Discriminant indicators with generalized inversion symmetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Tsuneya、Okugawa Ryo、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 8 ページ: 085019-085019
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.085109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rotoinversion-symmetric bulk-hinge correspondence and its applications to higher-order Weyl semimetals (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yutaro、Takahashi Ryo、Okugawa Ryo、Murakami Shuichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 11 ページ: 115119-115119
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.115119
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unveiling quasiparticle dynamics of topological insulators through Bayesian modelling (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Tokuda, S. Souma, K. Segawa, T. Takahashi, Y. Ando, T. Nakanishi, T. Sato
  • 雑誌名: Commun. Phys. 巻: 4 号: 1 ページ: 170-170
  • DOI: 10.1038/s42005-021-00673-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Non-Hermitian band topology with generalized inversion symmetry (2021)
  • 著者名/発表者名: Okugawa Ryo、Takahashi Ryo、Yokomizo Kazuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 20 ページ: 205205-205205
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.205205
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mirror-symmetry-protected dynamical quantum phase transitions in topological crystalline insulators (2021)
  • 著者名/発表者名: Okugawa Ryo、Oshiyama Hiroki、Ohzeki Masayuki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 号: 4 ページ: 043406-043406
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.043064
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inequality for Local Energy of Ising Model with Quenched Randomness and Its Application (2020)
  • 著者名/発表者名: Manaka Okuyama, Masayuki Ohzeki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 89 号: 6 ページ: 064704-064704
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.064704
  • NAID: 40022254177
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simple relation between frustration and transition points in diluted spin glasses (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryoji Miyazaki, Yuta Kudo, Masayuki Ohzeki, and Kazuyuki Tanaka
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 102 号: 1 ページ: 0121351-7
  • DOI: 10.1103/physreve.102.012135
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Probing the universality of topological defect formation in a quantum annealer: Kibble-Zurek mechanism and beyond (2020)
  • 著者名/発表者名: Bando Yuki、Susa Yuki、Oshiyama Hiroki、Shibata Naokazu、Ohzeki Masayuki、Gomez-Ruiz Fernando Javier、Lidar Daniel A.、Suzuki Sei、del Campo Adolfo、Nishimori Hidetoshi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 0333691-20
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033369
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Second-order topological non-Hermitian skin effects (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Okugawa, Ryo Takahashi, and Kazuki Yokomizo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 24 ページ: 241202-241202
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.241202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diversity of dynamical behaviors due to initial conditions: Extension of the Ott-Antonsen ansatz for identical Kuramoto-Sakaguchi phase oscillators (2020)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Ichiki, Keiji Okumura
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 101 号: 2 ページ: 022211-022211
  • DOI: 10.1103/physreve.101.022211
  • NAID: 120006845839
  • 査読あり
• [雑誌論文] Restored interlaced volumetric imaging increases image quality and scanning speed during intravital imaging in living mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Sogabe Maina、Ohzeki Masayuki、Fujimoto Koji、Sehara‐Fujisawa Atsuko、Nishimura Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Biophotonics 巻: 13 号: 5 ページ: 201960204-201960204
  • DOI: 10.1002/jbio.201960204
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sparse Modeling in Quantum Many-Body Problems (2020)
  • 著者名/発表者名: Otsuki Junya、Ohzeki Masayuki、Shinaoka Hiroshi、Yoshimi Kazuyoshi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 1 ページ: 012001-012001
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.012001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Non-Hermitian topological band structures with generalized inversion symmetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryo Okugawa, Ryo Takahashi, and Kazuki Yokomizo
  • 学会等名: APS March Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] MRIの撮像磁場における目標ラベルパターンのブラックボックス最適化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久、山本詩子
  • 学会等名: 新学術領域研究「次世代物質探索のための離散幾何学」領域会議
  • 招待講演
• [学会発表] SD-VAEを用いた物質探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久
  • 学会等名: 新学術領域研究「次世代物質探索のための離散幾何学」B01班会議
  • 招待講演
• [学会発表] 空間反転対称性を用いた非エルミートバンドトポロジーの解析公式 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥川亮、高橋亮、横溝和樹
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] 鏡映対称性に守られた動的量子相転移およびその高次トポロジカル相における例 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥川亮、押山広樹、大関真之
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] Diagnosis of non-Hermitian topological band structures with inversion symmetry (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryo Okugawa
  • 学会等名: International Conference on Discrete Geometric Analysis for material design
  • 国際学会
• [学会発表] Acceleration of Markov chain Monte Carlo method and its physical origin (2021)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Ichiki
  • 学会等名: International Conference on Discrete Geometric Analysis for Materials Design
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 2種の2次元高次トポロジカル表皮効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥川亮、高橋亮、横溝和樹
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年年次大会
• [学会発表] トポロジーの道具としての深層学習 (2021)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] ノイズ付きResNetの定常状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年年次大会
• [学会発表] ニューラルネットワークによる結び目の標準化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久
  • 学会等名: ディープラーニングと物理学2020 オンライン
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum annealing and machine learning - learning and Black-box optimization (2020)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: Ellis QPhML 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum annealing, its theory and several applications in industry (2020)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: School on Modern Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Annealing and Its Application to Real World (2020)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: ISMVL 2020(IEEE International Symposium on Multiple-Valued Logic)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Annealing and its Application to Real Industry (2020)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: RIEC International Symposium When AI Meets Human Science: The 4th Tohoku-NTU Symposium on Interdisciplinary AI and Human Studies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Higher-order topological phases protected by chiral symmetry (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Okugawa
  • 学会等名: The Second Tohoku University - RIKEN Joint Workshop: "Math Meets Quantum Materials"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 大域結合位相振動子系におけるOtt-Antonsen仮説の一般化と初期状態依存した多様な系の振る舞い (2020)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久, 奥村圭司
  • 学会等名: 日本物理学会第７５回年次大会
• [学会発表] Optimization Problems in Data Driven Science -Fundamentals and Applications in Materials Informatics- (2019)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Ichiki
  • 学会等名: Material Research Meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum annealing and machine learning - new directions of quantum (2019)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: Using Physical Insights for Machine Learning
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum annealing and its application to deep learning - new direction of quantum annealing - (2019)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: DLAP2019(Deep Learning And Physics)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 結合振動子系でみられるノイズ誘起カオス同期 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥村圭司, 一木輝久
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] Chaotic synchronization induced by external noise in mean-field coupled limit cycle oscillators with two native frequencies (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiji Okumura, Akihisa Ichiki
  • 学会等名: XXXIX Dynamics Days Europe
  • 国際学会
• [学会発表] 2種類のリミットサイクルの結合系でみられるノイズ誘起カオス同期 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥村圭司, 一木輝久
  • 学会等名: 電子情報通信学会 非線形問題研究会
• [学会発表] Laplacian eigenvalue problem: macroscopic and microscopic energetics for soft matter (2019)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Ichiki
  • 学会等名: Polymers and networks via topology and entanglement
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laplacian distribution in polymer networks (2019)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Ichiki
  • 学会等名: 新学術領域研究「次世代物質探索のための離散幾何学」成果発表会
  • 招待講演
• [学会発表] 基底状態のエネルギーを最小化する空間分割 (2019)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久, 坂口茂, 福泉麗佳
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] ノイズ分散とランクを同時推定するベイズ的動的モード分解 (2019)
  • 著者名/発表者名: 徳田悟, 世永公輝, 野々村拓
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] STEM画像からの原子位置3次元再構成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 観山正道, 中島千尋, 大関真之
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] リサンプリング分散を用いた圧縮センシングの信頼性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島千尋
  • 学会等名: 数理工学ワークショップ PythonユーザーのためのGPU入門
  • 招待講演
• [学会発表] 空間分割とラプラス固有値問題 (2019)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久
  • 学会等名: 研究集会 離散幾何解析とその周辺 2018
  • 招待講演
• [学会発表] 容器に閉じ込められた物質の界面トポロジー変化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久，坂口茂，福泉麗佳
  • 学会等名: 第１２回物性科学領域横断研究会（領域合同研究会）
• [学会発表] 確率過程による空間の最適分割と自由境界の固有値問題 (2018)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久
  • 学会等名: 第1回物質と情報科学セミナー
• [学会発表] 確率過程とパターン形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久
  • 学会等名: 第2回物質と幾何セミナー
• [学会発表] Application of Q-Adam to deep neural network for deformation estimation of elastic object (2018)
  • 著者名/発表者名: Utako Yamamoto, Masayuki Ohzeki, Megumi Nakao, Tetsuya Matsuda
  • 学会等名: 7th Adiabatic Quantum Computing Conference 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Application of concept of quantum annealing to deep neural network for deformation estimation of elastic object (2018)
  • 著者名/発表者名: Utako Yamamoto, Masayuki Ohzeki, Megumi Nakao, and Tetsuya Matsuda
  • 学会等名: Congress Quantum Machine Learning and Biomimetic Quantum Technologies
  • 国際学会
• [学会発表] ARPESに対するベイズ的スペクトル分解：バンド分散のモデル選択 (2018)
  • 著者名/発表者名: 徳田悟、相馬清吾、佐藤宇史、高橋隆、中西毅
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 電子線CTによる原子像再構成における再構成可能性判定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中島千尋
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 詳細つりあいを破ったMetropolis法の拡張 (2018)
  • 著者名/発表者名: 一木輝久、大関真之
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Estimation of Structure-Function Correlation from Observed Materials Images (2018)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Ichiki
  • 学会等名: 新学術領域「次世代物質探索のための離散幾何」キックオフワークショップ
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] カーネル法を用いた弾性体の部分観測情報に基づく変形推定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山本 詩子、中尾 恵、大関 真之、松田 哲也
  • 学会等名: 第56回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Time-series reconstruction using compressed sensing with ADMM in 2D magnetic resonance spectroscopic imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: Utako YAMAMOTO, Hirohiko IMAI, Kei SANO, Masayuki OHZEKI, Tetsuya MATSUDA, and Toshiyuki TANAKA
  • 学会等名: Time-series reconstruction using compressed sensing with ADMM in 2D magnetic resonance spectroscopic imaging
  • 国際学会
• [学会発表] Time-series reconstruction using compressed sensing in 2D 1H-13C heteronuclear multiple quantum coherence MRSI (2017)
  • 著者名/発表者名: Utako YAMAMOTO, Hirohiko IMAI, Kei SANO, Masayuki OHZEKI, Tetsuya MATSUDA, and Toshiyuki TANAKA
  • 学会等名: 第45回日本磁気共鳴医学会大会
• [図書] マテリアルズ・インフォマティクス開発事例最前線 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 聡、田村 亮、津田 宏治、犬丸 啓、折井 靖光、戸田 浩樹、廣瀬 修一、小林 正和、金子 弘昌、田中 譲、藤間 淳、上野 哲朗、小野 寛太、藤本 憲次郎、相見 晃久、一木 輝久、山下 智樹、常行 真司、北井 孝紀、本郷 研太、室野 隆博、前園 涼、森川 達哉、田中 將己、森分 博紀、堀内 佐智雄、石橋 章司、ほか
  • 総ページ数: 284
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860437084
• [図書] 量子コンピュータによる機械学習 (2020)
  • 著者名/発表者名: Maria Schuld、Francesco Petruccione、大関 真之、荒井 俊太、篠島 匠人、高橋 茶子、御手洗 光祐、山城 悠
  • 総ページ数: 368
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320124622
• [図書] Pythonで機械学習入門 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大関真之
  • 総ページ数: 256
  • 出版者: オーム社
  • ISBN: 9784274222863
• [図書] 物理学者，機械学習を使う (2019)
  • 著者名/発表者名: 橋本 幸士、大槻 東巳、真野 智裕、斎藤 弘樹、藤田 浩之、安藤 康伸、永井 佑紀、青木 健一、藤田 達大、小林 玉青、大関 真之、久良 尚任、福嶋 健二、村瀬 功一、船井 正太郎、柏 浩司、富谷 昭夫
  • 総ページ数: 212
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254131291
• [図書] スパースモデリング 理論、アルゴリズム、応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: Irina Rish、Genady Ya. Grabarnik、竹澤邦夫、大関真之、高橋茶子、竹田晃人、徳田悟、藤本晃司、安田宗樹
  • 総ページ数: 248
  • 出版者: ジャムハウス
  • ISBN: 9784906768738
• [備考] 材料観察画像からの機能推定
  • URL: http://structinfo-matsci.jp