量子揺らぎを伴うサンプリングを駆使した革新的機械学習アルゴリズムの創出

创建创新的机器学习算法，充分利用量子涨落采样

基本信息

批准号：
19J21790
负责人：
荒井俊太
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J21790/
关键词：
量子アニーリングレプリカ法 CDMA スピングラス

项目摘要

年次計画に記した通り, 量子モンテカルロ法を用いて, 1 次元横磁場イジングモデルのスピン配位から横磁場を学習するニューラルネットワークを作成した. これにより量子アニーラーを用いてサンプリングしたスピン配位を入力にして, 量子アニーラー内のパラメータから横磁場を推定することができた. その横磁場推定器を利用して, 横磁場以外の量子揺らぎをシミュレートする手法である適応的量子モンテカルロ法を量子アニーラー上で動かすアルゴリズムを作成し実装した. また, 通常の古典コンピュータ上で反強磁性相互作用をシミュレートする方法と量子アニーラーを利用してサンプリングする手法との比較を行った. 推定の精度は古典コンピュータに比べ劣るが, サンプリングの速度は量子アニーラーの方が速かった. 横磁場以外の量子揺らぎの有用性を示すために, p体SKモデルに対して横磁場以外の量子揺らぎを導入した量子アニーリングの典型的な性能評価をレプリカ法を用いて行った. その結果, p>2でp体SKモデルが持つ1次相転移が2次相転移になることが分かった. 1次相転移は量子アニーリングにおけるボトルネックであり, 計算時間の指数関数的な増加をもたらす. p体SKモデルの持つ1次相転移は多体相互作用由来である. 磁場由来の1次相転移についても解析を行った. 扱った問題は無線通信技術で使われていた符号分割多重接続(CDMA)モデルである.この問題はユーザー数と観測数の比が過負荷の場合, 1次相転移を持つ. この問題に対して, 横磁場以外の量子揺らぎを導入した場合を解析したところ, この問題の持つ一次相転移は横磁場以外の量子揺らぎでは回避することができないことが分かった.

如年度计划中所述，我们创建了一个神经网络，该神经网络从一维横向磁场ISING模型的自旋配位中学习了横向磁场。这使我们能够使用使用量子退火器采样的自旋配位从量子退火器中的参数估算横向磁场。使用此横向磁场估计器，使用自适应量子蒙特卡洛法的算法，一种用于模拟跨磁场以外的量子波动的方法。此外，我们比较了在常规经典计算机上模拟抗铁磁相互作用的方法，以及使用量子退火器进行采样方法。估计的准确性不如经典计算机的准确性，但是量子退火器的采样速度更快。为了证明除横向磁场以外的量子波动的有用性，使用复制方法进行了量子退火的典型性能评估，该量子退火引入了量子波动以外的其他量子波动。结果表明，P型SK模型的一阶相变是p> 2处的二阶相变。一阶相变是量子退火的瓶颈，导致计算时间的指数增加。 P型SK模型的一阶相变来自多体相互作用。我们还分析了从磁场得出的一阶相变。我们处理的问题是无线通信技术中使用的代码部多连接（CDMA）模型。当用户数量与观察次数的比率超载时，此问题具有一阶相变。为了应对这个问题，我们分析了除横向磁场以外的量子波动的引入，并发现除横向磁场以外的量子波动无法避免此问题的一阶相变。

项目成果

期刊论文数量（4）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Statistical mechanical analysis of reverse annealing for code-division multiple-access multiuser demodulator

码分多址多用户解调器反向退火的统计力学分析

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
Iwasaki Yutaka;Kashimura Tomoyuki;Kitahara Koichi;Kimura Kaoru;Shunta Arai
通讯作者：
Shunta Arai

量子揺らぎによる確率的情報処理

使用量子涨落的随机信息处理

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tsubasa Kusano;Yasuhide Matsumoto;Yuta Kataoka;Wataru Teraoka;Yasuhiro Oikawa;Kenichi Yoshida;Yoshimi Kitazumi;荒井俊太
通讯作者：
荒井俊太

リバースアニーリングによるCDMAマルチユーザ検出の統計力学的解析

反向退火CDMA多用户检测的统计力学分析