High Performance Computing for Materials Simulation by Quantum-Classical Hybrid Algorithms

通过量子经典混合算法进行材料模拟的高性能计算

• 批准号: 21K03391
• 负责人: 田中 宗
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03391/
• 关键词: 量子コンピューティング; 量子・古典ハイブリッドアルゴリズム; 機械学習; ブラックボックス最適化; イジングマシン; 量子アニーリング; 量子臨界現象; 量子古典ハイブリッドアルゴリズム; 物質シミュレーション; 量子コンピュータ

本研究課題において，2022年度は主に以下の2点の研究を行った．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，量子アニーリングマシンを含む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行った．具体的には，対象とする問題に含まれる制約条件を満たす状態間を量子遷移する方法の検討や，イジングモデルの固有エネルギーを変えずに，状態間のハミング距離のみ変える「エネルギー地形変換」，また，以下に述べる「マージ手法」や「スピン変数消去法」を提案した．「マージ手法」とは，局所解から効率よく脱出する手法として，単スピンフリップを動作原理とするイジングマシンにおいてマルチスピンフリップと等価な状態遷移を可能にする手法である．これを典型的な組合せ最適化問題に対して適用し，従来手法に対して残留エネルギー（イジングマシンの評価指標の一つ）を削減することに成功した．「スピン変数消去法」とは，線形制約をもつ組合せ最適化問題を効率的かつ高精度に解くための手法である．イジングマシンは入力可能な変数の個数に制限があるため，組合せ最適化問題を少ない変数の個数で定式化することが重要となる．標準的に用いられているペナルティ法と比較して，スピン変数消去法はより少ない変数の個数で組合せ最適化問題を定式化できる．この手法により，より大規模な組合せ最適化問題をイジング計算機で取り扱うことが可能となった．第二に，量子アニーリングマシンを含むイジングマシンによるブラックボックス最適化手法について，我々の提案手法の適用範囲を広げるための方法を検討した．複数の目的関数からなる多目的ブラックボックス最適化や，多値変数の場合についてのブラックボックス最適化に対応可能な方法を構築した．本研究成果は，プレプリントサーバ（arXiv:2209.01016)や，国際会議AQC2022等で報告した．

This study is based on the following two-point study in 2022. First, the physical and chemical properties of the high-speed operation are expected to increase. In this study, there are significant differences in the performance of the quantum system. For example, there are some conditions in this problem, such as the method of quantum transfer in the air, the method of quantum transfer, the method of reduction, the method of filtering, the method of eliminating the number of points, and so on, the following is true. The situation that the bureau has solved is to get rid of the problem of manipulation, and to determine the principle of operation. This is a typical combination of optimization problems, which is a typical problem of optimization. In this paper, we use the method to solve the problem of optimization problem with high precision and high precision. It is possible to limit the number of cases in which the penetration force is limited. It is important to assemble the optimization problem, reduce the number of cases, and customize the number of problems. the standard is more important than the standard by using the method of eliminating the number of cases, the method of eliminating the number of cases, and the number of cases. Large-scale models are combined to solve the problem of optimization. The computer is used to calculate the number of problems that may be affected. In the second place, the quantum computer system is used to optimize the performance of the system. I would like to use a range of methods to improve the performance of the proposal. the complex number of purposes, multi-purpose, multi-purpose, multi

项目成果

Performance Analysis of Factorization Machine with Annealing usingInteger-Encoding Methods

使用整数编码方法进行退火因子分解机的性能分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuya Seki;Ryo Tamura;and Shu Tanaka
• 通讯作者: and Shu Tanaka

量子アニーリング等イジングマシンを用いた応用研究

使用伊辛机进行应用研究，例如量子退火

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiroaki Matsueda;Yukiya Ide;Sadamichi Maekawa;北川皓也，松枝宏明;田中 宗
• 通讯作者: 田中 宗

異種イジングマシンによるハイブリッドアルゴリズムの提案

使用异构伊辛机的混合算法的提议

• 发表时间: 2022
• 作者: 田中 宗;網野 あかね，服部 智大，菊池 脩太，田中 宗
• 通讯作者: 網野 あかね，服部 智大，菊池 脩太，田中 宗

イジング計算機向けマルチスピンフリップ法

伊辛计算机的多自旋翻转方法

• 发表时间: 2022
• 作者: 田中 宗;網野 あかね，服部 智大，菊池 脩太，田中 宗;日野 幹太，田中 宗;田中 宗;田中 宗;田中 宗，関 優也;田中 宗;白井達彦，戸川望;白井達彦，戸川望
• 通讯作者: 白井達彦，戸川望

量子アニーリングや関連技術の研究開発の現状と今後の展望

量子退火及相关技术的研究开发现状及未来展望

• 发表时间: 2023
• 作者: Kayo Kinjo;Eriko Kaminishi;Takashi Mori;Jun Sato;Rina Kanamoto;Tetsuo Deguchi;田中 宗
• 通讯作者: 田中 宗