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【ポイント】

1. 原子?分子のミクロなスケールを支配する量子力学を利用した最适化技术である量子アニーリング（注１）を人工知能の基础部分となる机械学习に适用した。
2. これまでの学习法よりも、量子力学を利用した学习法は、より高い识别能力を持つなど、未知のデータに対しても性能を発挥する可能性が高いことを発见した。
3. 今后の量子コンピュータをはじめとした、量子力学を利用したデバイスの用途として人工知能分野への応用が强く期待される。

【概要】

东北大学大学院情报科学研究科大関真之准教授が率いる东北大学と株式会社デンソーによる共同研究チームは、人工知能の基盘技术の１つである机械学习に量子力学を利用した最适化技术、量子アニーリングを适用することにより、これまでの手法に比べて学习の効果が高まる方法を発见しました。

机械学习ニューラルネットワークをはじめとした机械学习と呼ばれる技术に注目が集まっています。犬と猫の识别が画像などのデータをコンピュータに示すことによって自动的に特徴を学びとることができるようになったためです。データのどの部分に注目して强调をしたり、组み合わせたりすると、うまく与えられた课题をクリアすることができるのか、その最善の方法を、最适化问题を通して探し出しています。

一方で多岐にわたる最適化問題を解く方法として、注目されているのが、原子や分子など非常に小さいスケールのものを支配する量子力学の原理に基づく量子アニーリングです。量子アニーリングでは、様々な可能性を重ね合わせの状態を利用して探索することで最適化問題を効率的に解くことができると期待されています。最近では、カナダのベンチャー企業であるD-Wave System社がその原理に基づく世界初商用の量子コンピュータを販売したりと更に注目を集めています。

本研究では、量子アニーリングにより、机械学习における最适化问题を解いてみるという试験的な研究を実施しました。机械学习における最适化问题では、いわば効果的な予习によって、本番の试験での成绩が向上するように工夫を施します。量子アニーリングを利用すると、予习の段阶では提示されなかった未知のデータに対しても、うまく课题をこなすことができるようになり、本番の试験での成绩に当たる汎化性能が向上することが确认されました。研究チームは様々な可能性を探索する量子揺らぎ（注２）の性质が键を握っていることを突き止めました。

より効果的に汎化性能を上げるためには、通常の量子アニーリングで採用されている量子揺らぎを最终的に完全に切ってしまう手法ではなく、ある程度の强度のまま量子揺らぎを残すことが重要であることが确认されました（図1）。量子揺らぎを利用した探索手法により、未知のデータであっても课题にうまく対応するようなデータの利用方法を探し出していると予想しています。

多様な分野に対して広がりを见せているディープラーニングなど、大规模なデータを処理するシステムへ本研究成果で発见された事実を活用するには、残念ながら大量のメモリを利用して高速な并列処理が可能な高性能なコンピュータ、または量子コンピュータを利用する必要があります。しかしながら本研究成果が示すように、量子力学を利用した计算技术がもたらす効果を明らかにすることで、人工知能をはじめとしたコンピュータを利用した基盘技术の性能の向上、利用価値を高める场面で、量子コンピュータをはじめとした様々な量子力学を活用した技术が取り入れられるようになり、世界を変えていくことになるでしょう。

本研究成果は2018年7月3日にSpringer Natureが発行するScientific Reports誌で公開されました。

図1:本研究成果で得られた量子揺らぎの効果例

【语句説明】

（注１）量子アニーリング

極低温において、原子や分子などの非常に小さいスケールの現象を捉えると、結果が常に変動する「量子揺らぎ」が存在することが知られています。これを利用して揺らすことでひっかかりのない安定した配置へ誘導する量子アニーリングと呼ばれる技術が1998年に東京工業大学の当時大学院生であった門脇正史氏（現：デンソー株式会社）、西森秀稔教授から提案されました。カナダのベンチャー企業であるD-Wave Systems社が量子アニーリングの原理に従ったコンピュータを製作して販売をしています。原子や分子の振る舞いを調べる量子シミュレーションや、様々な可能性の中で最も良い回答を探索する最適化問題、人工知能の基盤技術となる機械学習への応用などが注目されています。

（注２）量子揺らぎ

同じ条件であっても结果の出力が変动をする现象の背景には「揺らぎ」があると考え、その背景によって名称がつきます。温度によって调整可能なものは、热揺らぎと呼び、水の分子が温度によって、水蒸気、水、氷と変化するための原动力となります。その热揺らぎの効果が非常に小さい、极低温の环境では别の揺らぎの存在が确认されており、ミクロなスケールにおける原子や分子の位置や运动量（动きの势い）は、常に揺らいでいることが知られています。それを量子揺らぎと呼びます。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学大学院情报科学研究科
担当　大関　真之
電話番号： 022-795-5899
E-mail： mohzeki*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）