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2017 年度 実施状況報告書

詳細釣り合いの破れが生み出す革新的機械学習アルゴリズム

研究課題

研究課題/領域番号 16K13849
研究機関東北大学

研究代表者

大関 真之  東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (80447549)

研究分担者 一木 輝久  名古屋大学, 未来社会創造機構, 特任准教授 (40711156)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード量子アニーリング / 統計的機械学習 / 詳細釣り合い
研究実績の概要

機械学習アルゴリズムの多くは勾配降下法に基づき、その都度パラメータを更新する。その更新に際して極小の谷に落ち込むことがしばしばある。その回避のために熱揺らぎに相当するガウスノイズを導入する、シミュレーテッドアニーリング法、さらには量子揺らぎを導入する量子アニーリング法が物理学サイドからは提案されている。現在投稿中の論文は、深層学習における量子揺らぎの導入によってもたらされる効果の検証を行ったものである。量子揺らぎの導入により、トンネル効果によって極小の谷を超える効果を期待することはもちろんであるが、有限の量子揺らぎにより、谷の中における谷の形状の探索が可能であることが判明した。この形状の探索により、機械学習アルゴリズムの性能指標として最も重要な汎化性能が向上することが判明した。数値実験として極めて汎用的なオープンデータセットについて検証を行ったところ、良好な汎化性能を獲得した。この汎化性能の起源について、解析的検討を行ったところ、極小の周りの揺らぎをガウス分布の形で取り入れており、MM勾配降下法を採用すると、エントロピー勾配効果法として知られる海外の有力グループの手法を系統的に導出することができた。またこの手法は計算リソースを大半に割くため、MM勾配降下法だけでなく簡易的な手法にする他のタイプの近似を導入する可能性についても検討を行った。特に励起状態への遷移を考慮した離散的ノイズを導入すると、対応するフォッカープランク方程式に補正項が加わり、確率分布の形状による改善効果がもたらされることが判明した。この成果も突如得られたものであるため、最終年度である次年度に出版をする予定である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

量子アニーリング等の量子揺らぎを導入した機械学習アルゴリズムの創出、性能評価についてまで波及したため。

今後の研究の推進方策

今年度突如として成果の上がった量子揺らぎの導入による汎化性能の向上について、理論的基盤が形成されたことを受けて、より大きなデータセットや近似手法の改善により、さらなる効率的なアルゴリズムの創出を目指す。

次年度使用額が生じた理由

研究成果の公表が次年度にずれ込んだことが理由である。今年度は研究遂行実施に集中した反動である。最終年度は研究成果公表に予算を投入する。

  • 研究成果

    (29件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 5件、 招待講演 5件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Deep Neural Network Detects Quantum Phase Transition2018

    • 著者名/発表者名
      Arai Shunta、Ohzeki Masayuki、Tanaka Kazuyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 87 ページ: 033001~033001

    • DOI

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

    • 査読あり
  • [雑誌論文] An Extension of Estimation of Critical Points in Ground State for Random Spin Systems2018

    • 著者名/発表者名
      Ohzeki Masayuki、Kudo Yuta、Tanaka Kazuyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 87 ページ: 015001~015001

    • DOI

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

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Quantum Speed Limit is Not Quantum2018

    • 著者名/発表者名
      Okuyama Manaka、Ohzeki Masayuki
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 120 ページ: 1-5

    • DOI

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

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sparse modeling approach to analytical continuation of imaginary-time quantum Monte Carlo data2017

    • 著者名/発表者名
      Otsuki Junya、Ohzeki Masayuki、Shinaoka Hiroshi、Yoshimi Kazuyoshi
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 95 ページ: 1-6

    • DOI

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

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Compressing Green's function using intermediate representation between imaginary-time and real-frequency domains2017

    • 著者名/発表者名
      Shinaoka Hiroshi、Otsuki Junya、Ohzeki Masayuki、Yoshimi Kazuyoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 96 ページ: 1-8

    • DOI

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

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Machine learningの医学研究領域への利用  現代の魔法は本物か?2017

    • 著者名/発表者名
      大関 真之
    • 雑誌名

      INNERVISION

      巻: 9月号 ページ: 50-53

  • [学会発表] Quantum annealing for deep neural network2018

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki, Shuntaro Okada, Masayoshi Terabe, Shinichiro Taguchi
    • 学会等名
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
  • [学会発表] 3D reconstruction of TEM-CT via D-Wave2018

    • 著者名/発表者名
      Masamichi J. Miyama, Chihiro H. Nakajima, Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
  • [学会発表] Exponential Acceleration of Grover’s Search by Imaginary-Time Quantum Annealing2018

    • 著者名/発表者名
      Shuntaro Okada, Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
  • [学会発表] The application of D-wave 2000Q to detect quantum phase transition by deep neural network2018

    • 著者名/発表者名
      Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
    • 学会等名
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
  • [学会発表] Statistical mechanical analysis of Hamiltonian estimation of Ising spin glass based on the framework of statistical query learning2018

    • 著者名/発表者名
      Chako Takahashi, Masayuki Ohzeki, Shuntaro Okada, Masayoshi Terabe, Shinichirou Taguchi, Kazuyuki Tanaka
    • 学会等名
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
  • [学会発表] Steady-state distributions of network of degenerate optical parametric oscillators2018

    • 著者名/発表者名
      Ryoji Miyazaki, Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies
  • [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] 量子速度限界の古典対応物2018

    • 著者名/発表者名
      奥山 真佳、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] 中性子散乱におけるスパースモデリングの応用2018

    • 著者名/発表者名
      世永 公輝, 林田 翔平, 大関 真之, 益田 隆嗣
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      品岡 寛, 大槻 純也, 大関 真之, 吉見 一慶
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
  • [学会発表] Sparse modeling: how to solve the ill-posed problem2017

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Machine Learning and Many-Body Physics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Sparse modeling: a revolution on various measurements2017

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Data Science Summer School
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Machine Learning: Introduction and Applications to Monitoring2017

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      2017 Asia-Pacific-Euro Summer School on Smart Structures Technology(APESS)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum Annealing - a new paradigm for machine learning and computation2017

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      7th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effect and Quantum Information
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Sparse modeling for quantum Monte-Carlo simulation2017

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      International Meeting on “High-Dimensional Data-Driven Science” (HD3-2017)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Simulated annealingを用いた低ランク行列補完2017

    • 著者名/発表者名
      三上 譲治, 関 優也, 片岡 駿, 大関 真之, 田中 和之
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] 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

    • 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2017年秋季大会
  • [学会発表] 圧縮センシングによるイジング相互作用の推定2017

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] ニューラルネットワークによる様々な相転移の検出2017

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊太, 大関 真之, 片岡 駿, 田中 和之
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      吉見 一慶,大槻 純也, 大関 真之, 品岡 寛
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] 量子アニーリングの高速化に向けた断熱定理の再考2017

    • 著者名/発表者名
      岡田俊太郎, 田中宗, 大関真之, 寺部雅能, 田口慎一郎
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] Sparse modeling - revolution on various measurements -2017

    • 著者名/発表者名
      大関 真之
    • 学会等名
      2017 Bilateral Workshop between Tohoku University and National Tsing Hua University
  • [図書] ベイズ推定入門2018

    • 著者名/発表者名
      大関真之
    • 総ページ数
      192
    • 出版者
      株式会社オーム社
    • ISBN
      978-4274221392

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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