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2021 年度 実施状況報告書

量子古典ハイブリッド計算技術による物質シミュレーション高速化手法の研究

研究課題

研究課題/領域番号 21K03391
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

田中 宗  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (40507836)

研究分担者 白井 達彦  早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (20816730)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード量子コンピューティング / 量子アニーリング / イジングマシン / 量子臨界現象
研究実績の概要

本研究課題において,2021年度は主に以下の2点の研究を行った.第一に,量子コンピューティング技術の一つである量子アニーリングの性能を理論的に検討するための研究,第二に,ブラックボックス連続最適化に対する量子アニーリング等イジングマシンの適用手法の提案の研究である.

第一の研究では,相互作用が非一様な1次元イジングモデルに対し,相互作用の非一様性と相関のある非一様性を課した横磁場を印加した統計力学モデルを用いた解析を行った.量子アニーリングにおいては,エネルギーギャップが小さくなることにより,その性能が低減してしまうという課題がある.エネルギーギャップが小さくなる問題は様々なものが知られているが,中でも,量子相転移を引き起こす系については,系統的な解析が可能であるため,理論的に量子アニーリングの検討を進める上での雛形となる.そのような背景から,上記のモデルを取り扱った.本研究で取り扱うモデルは,自由フェルミオン系に変換することが可能である.そのため,大規模数値計算により,エネルギーギャップのシステムサイズ依存性,ならびに,動的臨界指数を得ることが可能である.その結果,相互作用の非一様性と相関のある非一様性を横磁場に課した場合,相互作用の非一様性とは相関の無い非一様性を横磁場に課した場合と量子相転移のユニヴァーサリティクラスが変わったことを見出した.また,動的臨界指数の上限並びに下限を解析的に得ることに成功した.この結果は,Annals of Physicsにて報告した.

第二の研究では,ブラックボックス連続最適化に対し量子アニーリング等イジングマシンを適用する手法を新たに提案した.本研究成果は,本研究課題で狙う物質シミュレーションの高速化につながると期待される.本研究成果は,プレプリントサーバ(arXiv:2104.14778)や国際会議AQC2021にて報告した.

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

研究実績の概要にて,第二の研究として述べた「ブラックボックス連続最適化」に対する量子アニーリング等イジングマシンの適用手法の提案は,量子アニーリング等イジングマシンの適用幅を大きく広げる手法であり,今後,様々な場面で活用が期待される手法であると考えられる.
量子アニーリング等イジングマシンを用いた計算では,対象とする組合せ最適化問題がイジングモデルやそれと等価なQUBO形式で表現されている必要があったが,研究代表者らは,当研究課題発足前の2020年にブラックボックス離散最適化に対する量子アニーリング等イジングマシンの適用手法の提案を行った[Koki Kitai, Jiang Guo, Shenghong Ju, Shu Tanaka, Koji Tsuda, Junichiro Shiomi, Ryo Tamura, Physical Review Research 2, 013319 (2020)].これを更に拡張し,ブラックボックス最適化で,かつ,連続変数を決定変数とする問題に対して量子アニーリング等イジングマシンを活用する手法を提案したという位置付けである.

今後の研究の推進方策

2021年度の研究成果を受け,今後は以下の二点に焦点を当て,研究を進めていく予定である.第一に,物質シミュレーションの高速化につながることが期待される,量子アニーリング等イジングマシンやゲート式量子コンピュータの性能を引き出すアルゴリズム開発を実施する予定である.具体的には,対象とする問題に即した量子ゆらぎやミキサーの導入方法を検討する.第二に,量子アニーリング等イジングマシンによるブラックボックス最適化手法を利用して,物質シミュレーションに要する総時間短縮のデモンストレーションを実施する予定である.

次年度使用額が生じた理由

研究課題発足当初,参加を予定していた国際会議の現地開催が中止となり,オンライン形式での開催となったため,次年度使用額が生じました.2022年度の現地開催の学会参加等に充当する予定である.

  • 研究成果

    (29件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 4件、 招待講演 6件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Exact bounds for dynamical critical exponents of transverse-field Ising chains with a correlated disorder2021

    • 著者名/発表者名
      Shirai Tatsuhiko、Tanaka Shu
    • 雑誌名

      Annals of Physics

      巻: 435 ページ: 168483~168483

    • DOI

      10.1016/j.aop.2021.168483

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Performance Comparison of Typical Binary-Integer Encodings in an Ising Machine2021

    • 著者名/発表者名
      Tamura Kensuke、Shirai Tatsuhiko、Katsura Hosho、Tanaka Shu、Togawa Nozomu
    • 雑誌名

      IEEE Access

      巻: 9 ページ: 81032~81039

    • DOI

      10.1109/ACCESS.2021.3081685

    • 査読あり
  • [学会発表] イジング計算機のためのマルチスピンフリップ法とその応用2022

    • 著者名/発表者名
      白井達彦,戸川望
    • 学会等名
      システムとLSIの設計技術研究会(IPSJ-SLDM)
  • [学会発表] イジング計算機向けマルチスピンフリップ法2022

    • 著者名/発表者名
      白井達彦,戸川望
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] Factorization machine とイジングマシンを利用した整数変数最適化2022

    • 著者名/発表者名
      関優也,田村亮,田中宗
    • 学会等名
      情報処理学会第5回量子ソフトウェア研究発表会
  • [学会発表] 追加操作を施した量子アニーリングの性能評価2022

    • 著者名/発表者名
      大坪優太,白井達彦,田中宗
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] ビット幅削減イジングモデルのシミュレーテッドアニーリングにおける動的プロセスの解析2022

    • 著者名/発表者名
      菊池脩太,戸川望,田中宗
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] 整数変数最適化問題に対するfactorization machineを利用した最適化手法2022

    • 著者名/発表者名
      関優也,田中宗
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] 量子アニーリング等イジングマシンの研究開発の現状と今後の課題2022

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      九州大学量子コンピューティングシステム研究センター開所記念シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子アニーリングの基礎と応用探索2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      第17回AMO討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子アニーリング技術の基礎と応用探索事例の最新動向2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      技術情報協会セミナー
  • [学会発表] 量子コンピュータ最前線とイジングマシンの可能性2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      LINK-J第13回オンライン・ネットワーキング・トーク
  • [学会発表] 量子アニーリングやイジングマシンの基礎と応用2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      第11回Quantum Computational Material Science Roundtable (QCMSR)
  • [学会発表] Quantum annealing and its related technology2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      東京大学FoPM 4PMセミナー
  • [学会発表] 物理現象にヒントを得た計算技術:量子アニーリング2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      The 66th Scienc-ome
  • [学会発表] 相関のあるランダムネスをもつ横磁場イジング鎖の動的臨界指数の解析2021

    • 著者名/発表者名
      白井達彦,田中宗
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [学会発表] Quantum annealing in transverse-field Ising chains with a correlated disorder2021

    • 著者名/発表者名
      Tatsuhiko Shirai and Shu Tanaka
    • 学会等名
      AQC2021 - Adiabatic Quantum Computing Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 量子アニーリング等イジングマシンの現状と展望:社会実装の基盤を目指した研究開発の実際2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      Data Science Forum 2021
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子アニーリング等イジングマシンの現状と展望2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      DAシンポジウム2021
    • 招待講演
  • [学会発表] Continuous black-box optimization with quantum annealing and random subspace coding2021

    • 著者名/発表者名
      Shun Izawa, Koki Kitai, Shu Tanaka, Ryo Tamura, and Koji Tsuda
    • 学会等名
      AQC2021 - Adiabatic Quantum Computing Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of additional operations for constrained quantum annealing2021

    • 著者名/発表者名
      Yuta Otsubo, Tatsuhiko Shirai, and Shu Tanaka
    • 学会等名
      AQC2021 - Adiabatic Quantum Computing Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Dynamical process on the bit-width-reduced Ising model and tuned method in simulated annealing2021

    • 著者名/発表者名
      Shuta Kikuchi, Nozomu Togawa and Shu Tanaka
    • 学会等名
      AQC2021 - Adiabatic Quantum Computing Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 量子アニーリングに対する追加操作の効果2021

    • 著者名/発表者名
      大坪優太,白井達彦,田中宗
    • 学会等名
      第45回量子情報技術研究会 (QIT45)
  • [学会発表] イジングマシン向けビット幅削減アルゴリズムの動的プロセスの解析2021

    • 著者名/発表者名
      菊池脩太,戸川望,田中宗
    • 学会等名
      第24回情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2021)
  • [学会発表] 量子アニーリングの現状と展望2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      FINOLABセミナー:金融分野での量子コンピュータ#12
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子アニーリングの適用事例:量子アニーリング×AIの新手法によるマテリアル探索2021

    • 著者名/発表者名
      田中宗
    • 学会等名
      NEC Visionary Week 2021
    • 招待講演
  • [備考] 白井達彦webサイト

    • URL

      https://sites.google.com/view/tatsuhiko-shirais-websitege/%E3%83%9B%E3%83%BC%E3%83%A0

  • [備考] 慶應義塾大学理工学部物理情報工学科 田中宗研究室webサイト

    • URL

      https://shutanaka.appi.keio.ac.jp/

  • [備考] 田中宗webサイト

    • URL

      https://shutanaka.com/

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公開日: 2022-12-28  

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