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Julia言語を用いた新しい計算機数論システムの開発とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 20K03537
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分11010:代数学関連
研究機関東京都立大学

研究代表者

横山 俊一  東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (90741413)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
キーワード計算機数論 / 保型形式 / 耐量子計算機暗号 / Julia 言語 / 代数的保型形式 / 高速実装 / Julia言語 / データベース
研究開始時の研究の概要

Julia 言語を用いた新しい数式処理システム Nemo の開発を通して,以下の課題を解決することを目指す.
1) AbstractAlgebra.jl の開発を通して,拡大体(とくに局所体)の高速計算アルゴリズムを提案し,高次拡大体の計算や高速同型判定を可能にする.
2) Hecke.jl の開発を通して,数論幾何的対象(楕円曲線やモジュラー形式)の計算パッケージを実装し,代数体上の楕円曲線の効率的探索を実現する.
また,以上の実装を用いて大規模探索を行い,数論データベース LMFDB の拡張プロジェクトへの貢献を目指す.

研究実績の概要

(1) 昨年度に引き続き、計算機数論、とくに代数的保型形式に関する研究を行った。これまで取り組んできた、四元数環上の代数的保型形式の周期に関する研究の延長線上にある話題として、組み合わせ論的な手法を用いて保型形式に関するベクトル空間の生成系を高速に計算する手法を開発し、アルゴリズム構築・実装までを行った。さらにその改良として、生成多項式系に関するアイデアを用いて計算手法を簡素化した(落合啓之氏、若槻聡氏との共同研究)。

(2) 耐量子計算機暗号における署名技術の一般化に対する高速化・効率化を行った。NIST PQC コンペティションにおいて最終ラウンドを通過した署名技術とし て CRYSTALS-Dilithium があるが、その一般化のひとつである Masking-Dilithium にはスクリプト実装がなかったため、これをC言語環境で実装した。さらにマスキング技術における masking-unmasking フェーズの有無において数学的に同一の情報を保持できることを数学的に証明した(植元雅斗氏、山村和輝氏、宮澤俊之氏との共同研究)。なお本研究は NTT 社会情報研究所との共同研究として実施されたが、計算機実装に関する情報収集等の業務の一部を本研究課題として実施したため、本報告書に記載する次第である。

(3) Julia 言語を用いた数式処理システム開発の一環として、数学および物理学の最先端における Julia の活用に関するカンファレンスを行った(主催は九州大学マス・フォア・インダストリ研究所)。またその成果を IMI レクチャーノートとして出版した(富谷昭夫氏、永井佑紀氏、寺崎敏志氏との共同編集)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度も、Julia 言語をはじめとして複数の計算機代数システムを用いて、多角的な研究を遂行できている。とくに本年は、本研究課題にも明示した Julia 言語に関する最先端の研究知見を共有する場を設け、最新の開発状況に関する情報を収集すると共に、計算機代数系における Julia の活用方法に関して幅広い専門分野の研究者と研究討議を行うことができた。最終年度に向けての仕上げとして、ユーザ拡大のために気をつけるべきノウハウを還元していく予定である。
また、現在進めている研究で用いている計算機代数システムの Julia 言語への移植についても開始の目処がたち、引き続き最もパフォーマンスを引き出すことのできる開発プランを模索している。

今後の研究の推進方策

代数的保型形式に関する共同研究事業については、引き続き関連する数論的対象物を Julia 言語をはじめとする高速実装環境に実現する作業に取り組む(とくにデータベース化における作業の簡素化と、実行時間の物理的高速化を検討している)。一方、暗号理論への応用事例としても、前年度から開始した耐量子計算機暗号の署名技術の高速・効率化と性能評価について継続的に研究を進めていく予定である。具体的には、マスキング格子を援用した署名技術 Masking-Dilithium における高速ビット演算およびその数学的正当性について、Julia 言語との相性や高速化アルゴリズムの適用検討を進めてい く予定である。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (13件) (うち招待講演 8件) 図書 (3件) 備考 (3件) 学会・シンポジウム開催 (2件)

  • [雑誌論文] 耐量子計算機署名 ModFalcon の拡張命令セット AVX による実装評価2023

    • 著者名/発表者名
      福原大毅, 髙橋雄人, 山村和輝, 齋藤恆和, 横山俊一
    • 雑誌名

      SCIS2023 暗号と情報セキュリティシンポジウム 予稿集

      巻: -

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Distribution of toric periods of modular forms on definite quaternion algebras2022

    • 著者名/発表者名
      Miyu Suzuki, Satoshi Wakatsuki, Shun'ichi Yokoyama
    • 雑誌名

      Research in Number Theory

      巻: 8-90 号: 4 ページ: 1-33

    • DOI

      10.1007/s40993-022-00389-8

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 耐量子計算機署名 ModFalcon の Toom-Cook 法及び Radix4 FFT による高速化2022

    • 著者名/発表者名
      福原大毅, 髙橋雄人, 山村和輝, 齋藤恆和, 横山俊一
    • 雑誌名

      SCIS2022 暗号と情報セキュリティシンポジウム報告集

      巻: なし

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 正標数局所体のデータベースと Galois 群計算について2024

    • 著者名/発表者名
      横山俊一, 吉田学
    • 学会等名
      日本応用数理学会第20回(2023年度)研究部会連合発表会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 計算機数論システムの開発とその展望2023

    • 著者名/発表者名
      横山俊一
    • 学会等名
      大阪大学数学教室談話会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 数論における Julia の援用2023

    • 著者名/発表者名
      横山俊一
    • 学会等名
      IMI共同利用研究集会「数学と物理における Julia の活用」
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 正標数局所体の拡大の計算アルゴリズムについて2023

    • 著者名/発表者名
      横山俊一, 吉田学
    • 学会等名
      日本数学会2023年度秋季総合分科会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 高水準言語 Julia を用いた計算代数システム開発について2023

    • 著者名/発表者名
      横山俊一
    • 学会等名
      名古屋組合せ論セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高水準言語 Julia を用いた計算代数システム開発について2023

    • 著者名/発表者名
      横山俊一
    • 学会等名
      金沢大学理学談話会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 耐量子計算機署名 ModFalcon の拡張命令セット AVX による実装評価2023

    • 著者名/発表者名
      福原大毅, 髙橋雄人, 山村和輝, 齋藤恆和, 横山俊一
    • 学会等名
      SCIS2023 暗号と情報セキュリティシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 高水準言語 Julia を用いた数式処理システム開発について2022

    • 著者名/発表者名
      横山俊一
    • 学会等名
      京都大学数学教室談話会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 耐量子計算機署名 ModFalcon の Toom-Cook 法及び Radix4 FFT による高速化2022

    • 著者名/発表者名
      福原大毅, 髙橋雄人, 山村和輝, 齋藤恆和, 横山俊一
    • 学会等名
      2022年暗号と情報セキュリティシンポジウム(SCIS2022)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 耐量子計算機署名 ModFalcon の Toom-Cook 法及び Radix4 FFT による高速化2022

    • 著者名/発表者名
      髙橋雄人, 福原大毅, 山村和輝, 齋藤恆和, 横山俊一
    • 学会等名
      日本応用数理学会第18回(2021年度)研究部会連合発表会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 数式処理との上手なつきあい方:高水準言語 Julia を用いた計算機数論システム開発について2021

    • 著者名/発表者名
      横山俊一
    • 学会等名
      函数方程式論サマーセミナー2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Julia language for number theory2021

    • 著者名/発表者名
      Shun'ichi Yokoyama
    • 学会等名
      Japan-Europe Number Theory Exchange Seminar
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高水準言語 Julia を用いた計算機数論システム開発について2020

    • 著者名/発表者名
      横山俊一
    • 学会等名
      九州代数的整数論 2020夏
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [図書] 数学と物理におけるJuliaの活用2024

    • 著者名/発表者名
      富谷昭夫, 横山俊一, 永井佑紀, 寺崎敏志(編)
    • 総ページ数
      230
    • 出版者
      九州大学マス・フォア・インダストリ研究所
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [図書] 数論入門辞典2023

    • 著者名/発表者名
      加藤文元, 砂田利一(編)
    • 総ページ数
      640
    • 出版者
      朝倉書店
    • ISBN
      9784254111590
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [図書] 社会に最先端の数学が求められるワケ(2) データ分析と数学の可能性2022

    • 著者名/発表者名
      国立研究開発法人科学技術振興機構研究開発戦略センター(JST/CRDS)、高島 洋典、吉脇 理雄、杉山 真吾、横山 俊一
    • 総ページ数
      188
    • 出版者
      日本評論社
    • ISBN
      9784535789609
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] Shun'ichi Yokoyama

    • URL

      https://sites.google.com/view/s-yokoyama/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書
  • [備考] Number Theory in Tokyo

    • URL

      https://sites.google.com/view/ntint/

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Homepage of Shun'ichi Yokoyama

    • URL

      https://sites.google.com/view/s-yokoyama/

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会・シンポジウム開催] 数学と物理におけるJuliaの活用2023

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会・シンポジウム開催] Number Theory in Tokyo2023

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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