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2019 年度 実績報告書

量子アニーリングが拓く高性能マテリアルインフォマティクス基盤の新展開

研究課題

研究課題/領域番号 19H01095
研究機関東北大学

研究代表者

小林 広明  東北大学, 情報科学研究科, 教授 (40205480)

研究分担者 岡部 朋永  東北大学, 工学研究科, 教授 (50344164)
阿部 圭晃  東北大学, 流体科学研究所, 助教 (40785010)
菊川 豪太  東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (90435644)
佐藤 雅之  東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (50781308)
撫佐 昭裕  東北大学, サイバーサイエンスセンター, 客員教授 (40639655)
觀山 正道  東北大学, 情報科学研究科, 特任助教 (60639095)
大関 真之  東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (80447549)
小松 一彦  東北大学, サイバーサイエンスセンター, 准教授 (50813888)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワードマテリアルインフォマティクス / 量子アニーリング / クラスタリング / 高分子材料シミュレーション / 高性能計算
研究実績の概要

本研究では、高分子材料設計と高性能計算基盤の2つのグループを構成して研究を行った。高分子材料設計グループでは、航空機構造材料として用いられる架橋高分子材料の架橋ネットワーク構造の形成と硬化後の材料物性評価のために、量子化学計算の反応パラメータを導入した反応モデルをMDシミュレーションに取り入れた。これを用いて硬化反応後の材料に対する物性解析を行った結果、ヤング率や熱伝導率について、実験値を高い精度で予測できることがわかった。高性能情報処理基盤グループでは、まず、MDシミュレーションの高速化を行った。ベクトル型スーパーコンピュータSX-Aurora TSUBASAを用いて、プログラムの演算特性を解析した結果、FFT処理とEwald法の処理の演算コストが高いことが判明した。FFTについてはベクトル演算の効率が高い一次元多重FFTを導入し、Ewald法はベクトル化率を向上させる実装方式を考案した。その結果、それぞれの演算性能が20倍と7倍に向上した。逆問題解析基盤の実現のためには、ベイズ的最適化と量子アニーラによるサンプリングを組み合わせたブラックボックス最適化の実装と評価を行った。量子アニーラの極めて短時間で大量の候補解のサンプリング能力が、明示的に目的関数が与えられていない最適化においても有効であることが確認できた。さらに、新規アルゴリズムの開発により量子アニーラで扱える問題規模を大きくすることができるようになった。また、無数の候補材料の組み合わせの中から、高速に目的に適した材料物質を選定する、高性能大規模データクラスタリング技術の検討を行った。その結果、量子アニーリングによる凝集型階層クラスタリング法は最適なクラスタ数が不明なデータに対して威力を発揮する一方、最適クラスタ数が決定している場合には従来の古典的アルゴリズムによるクラスタリング法が優れていることを明らかにした。

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

本年度の研究高分子材料設計では硬化反応後の材料に対する物性解析においてヤング率や熱伝導率について,実験値を高い精度で予測可能になることを確認したことや、分子動力学シミュレーションの高速化手法に関する研究では、プログラムの詳細な解析により、高コスト計算の特定とそのベクトル処理による高速化に着手できたことは、概ね計画通りに研究が進捗していると考えている。また大規模データクラスタリングの開発においては、量子アニーリングと従来型アルゴリズムの利点・欠点を詳細に分析し、両者を効果的に組み合わせた新たなクラスタリング手法のアイディアが生まれた。このことは高速に目的に適した材料物質を選定する多段階のスクリーニングを実現する方法へとつながることが期待できる。
以上のことから、本研究は概ね順調に進展していると判断している。

今後の研究の推進方策

次年度以降も引き続き、高分子材料設計サブグループと高性能情報処理基盤サブグループが密接に連携し、アプリケーションのそれを支える高性能情報処理基盤のコデザインを推進ししていく。また、海外の関連研究者の招聘などを計画し、研究討論会を開催するなど、本研究の国際的なプレゼンスを高め、併せて国際共同研究へ展開するための様々な取り組みを行う。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 15件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] Texas A&M University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Texas A&M University
  • [雑誌論文] Breaking limitation of quantum annealer in solving optimization problems under constraints2020

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41598-020-60022-5

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Restored interlaced volumetric imaging increases image quality and scanning speed during intravital imaging in living mice2020

    • 著者名/発表者名
      Maina Sogabe, Masayuki Ohzeki, Koji Fujimoto, Atsuko Sehara‐Fujisawa, Satoshi Nishimura
    • 雑誌名

      J. Biophotonics

      巻: 13 ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/jbio.201960204

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fair Sampling by Simulated Annealing on Quantum Annealer2020

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Yamamoto, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 89 ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.7566/JPSJ.89.025002

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Sparse Modeling in Quantum Many-Body Problems2020

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

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 89 ページ: -

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.012001

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Sublinear Computational Time Modeling by Momentum-Space Renormalization Group Theory in Statistical Machine Learning Procedures2019

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Tanaka, Masayuki Ohzeki, Muneki Yasuda
    • 雑誌名

      Review of Socionetwork Strategies

      巻: 13 ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1007/s12626-019-00053-1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Efficient partition of integer optimization problems with one-hot encoding2019

    • 著者名/発表者名
      Shuntaro Okada, Masayuki Ohzeki and Shinichiro Taguchi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41598-019-49539-6

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Message-passing Algorithm of Quantum Annealing with Nonstoquastic Hamiltonian2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn

      巻: 88 ページ: -

    • DOI

      10.7566/JPSJ.88.061005

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improving solutions by embedding larger subproblems in a D-Wave quantum annealer2019

    • 著者名/発表者名
      Shuntaro Okada, Masayuki Ohzeki, Masayoshi Terabe and Shinichiro Taguchi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41598-018-38388-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Control of automated guided vehicles without collision by quantum annealer2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki, Akira Miki, Masamichi J. Miyama and Masayoshi Terabe
    • 雑誌名

      Front. Comput. Sci.

      巻: 1 ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.3389/fcomp.2019.00009

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Item Listing Optimization for E-Commerce Websites Based on Diversity2019

    • 著者名/発表者名
      Naoki Nishimura, Kotaro Tanahashi, Koji Suganuma, Masamichi J. Miyama and Masayuki Ohzeki
    • 雑誌名

      https://doi.org/10.3389/fcomp.2019.00002

      巻: 1 ページ: -

    • DOI

      10.3389/fcomp.2019.00002

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] An Evaluation of a Hierarchical Clustering Method Using Quantum Annealing2020

    • 著者名/発表者名
      Masahito Kumagai, Kazuhiko Komatsu, Masayuki Sato, Hiroaki Kobayashi
    • 学会等名
      ISC2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Full atomistic molecular dynamics and DPD integrated simulations with reaction model for advanced design of thermosetting polymeric materials2019

    • 著者名/発表者名
      Gota Kikugawa
    • 学会等名
      International Workshop on applications of Materials Integration for CFRP
    • 国際学会
  • [学会発表] Interaction Between Fibers and Viscous Flow Evaluated by Simplified Bead-Chain Model and Generalized SPH2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshiaki Abe, Tomonaga Okabe
    • 学会等名
      72nd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Breaking limitation of quantum annealer in solving optimization problem under constraints2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Adiabatic Quantum Computing Conference 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] T-QARD Update: Recent activities and some new algorithms2019

    • 著者名/発表者名
      Masamichi J. Miyama, Ami S. Koshikawa and Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Qubits North America 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] 量子アニーリングが示す情報科学の未来(量子退火所代表的資訊科學的未來)2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      2019台日科学技術フォーラム(2019台日科技高峰論壇-數位創新與智慧製造)
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum annealing and its application -new generation of natural computing2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      The IEEE International 3D Systems Integration Conference (3DIC)
    • 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
      Deep Learning and physics 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum annealing and machine learning - new directions of quantum2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      IPAM Workshop IV: Using Physical Insights for Machine Learning
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum annealing and its practical applications2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      17th RIEC International Workshop on Spintronics
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum Annealing and Machine Learning-new directions of Quantum Annealing-2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Indo Japan Joint Workshop on Quantum Computation & Information
    • 国際学会
  • [学会発表] Breaking limit of quantum annealer by statistical mechanics2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Ohzeki
    • 学会等名
      Meeting on Quantum Annealing of the LHZ Architecture and Related Topics
    • 国際学会
  • [学会発表] Performance evaluation of a clustering approach based on thermophysical properties by using multiple platform2019

    • 著者名/発表者名
      Kou Murakami, Kazuhiko Komatsu, Masayuki Sato, Hiroaki Kobayashi
    • 学会等名
      International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPCAsia)
    • 国際学会
  • [学会発表] ベクトルコンピュータを用いた機械学習の高速化に関する研究2019

    • 著者名/発表者名
      村上 洸, 佐藤 雅之, 小松 一彦, 小林 広明
    • 学会等名
      電気関係学会東北支部連合大会
  • [学会発表] 量子アニーリングを用いたクラスタリング手法の評価2019

    • 著者名/発表者名
      熊谷 政仁, 小松 一彦, 佐藤 雅之, 小林 広明
    • 学会等名
      2020年電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] QA-Assisted Next Generation HPC Infrastructure for Computational Science, Data Science and their Integrated Applications2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Kobayashi
    • 学会等名
      Russian Supercomputing Days 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum-Annealing Assisted Next-Generation HPC for Inductive and Deductive Computing Integrated Applications2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Kobayashi
    • 学会等名
      30th Workshop on Sustained Simulation Performance
    • 国際学会 / 招待講演

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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