JP2022055125A - Calculation method, calculation device, calculation program, and recording medium - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は数理モデルの系のエネルギーを表すハミルトニアンを生成し、量子探索によって計算するための計算方法、および当該計算方法を実行するための計算装置、および計算プログラムに関する。 The present disclosure relates to a calculation method for generating a Hamiltonian representing the energy of a system of a mathematical model and calculating by quantum search, a calculation device for executing the calculation method, and a calculation program.
非特許文献1は、アニーリングマシンを使用した、数理モデルをQUBO(二次最適化問題)モデルに定式化して計算するための方法について開示する。 Non-Patent Document 1 discloses a method for formulating and calculating a mathematical model into a QUABO (quadratic optimization problem) model using an annealing machine.
数理モデルを定式化する際、アニーリングマシンを含む、量子探索アルゴリズムを実行する計算装置によって計算可能な式とするために、数理モデルから得られた式の一部を近似する等、式の補正を行う場合がある。この場合、数理モデルの制約条件を、補正した式が厳密に表現できていない場合があり、当該式に基づいた量子探索の実行により、一部の制約条件を満たさない解が得られる場合がある。 When formulating a mathematical model, correction of the formula, such as approximating a part of the formula obtained from the mathematical model, in order to make it a formula that can be calculated by a computing device that executes a quantum search algorithm, including an annealing machine. May be done. In this case, the corrected equation may not be able to express the constraints of the mathematical model exactly, and the execution of the quantum search based on the equation may obtain a solution that does not satisfy some of the constraints. ..
上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る計算方法は、数理モデルの定式化により得られたハミルトニアンに対する量子探索を実行する量子探索工程と、前記量子探索工程により得られた解が、前記数理モデルにおける制約条件のうち、少なくとも一つの制約条件を満たすか否かを判定する解判定工程と、前記量子探索工程により得られた解が、前記解判定工程において判定を行った制約条件のうち少なくとも一つを満たさない場合、前記ハミルトニアンにおける一部の変数の値を固定した補正ハミルトニアンを生成する補正工程とを含む。 In order to solve the above problems, the calculation method according to one aspect of the present disclosure includes a quantum search step for executing a quantum search for the Hamiltonian obtained by formulating a mathematical model, and a solution obtained by the quantum search step. However, the constraint that the solution determination step of determining whether or not at least one of the constraint conditions in the mathematical model satisfies the constraint condition and the solution obtained by the quantum search step are determined in the solution determination step. If at least one of the conditions is not satisfied, a correction step of generating a corrected Hamiltonian in which the values of some variables in the Hamiltonian are fixed is included.
また、本開示の一態様に係る計算装置は、数理モデルの定式化により得られたハミルトニアンに対する量子探索を実行する実行部と、前記量子探索により得られた解が、前記数理モデルにおける少なくとも一つの制約条件を満たすか否かを判定する解判定部と、前記量子探索により得られた解が、前記解判定部が判定を行った制約条件のうち少なくとも一つを満たさない場合、前記ハミルトニアンにおける一部の変数を固定した補正ハミルトニアンを生成する補正部とを備える。 Further, in the computing device according to one aspect of the present disclosure, an execution unit that executes a quantum search for the Hamiltonian obtained by formulating the mathematical model and a solution obtained by the quantum search are at least one in the mathematical model. When the solution determination unit for determining whether or not the constraint condition is satisfied and the solution obtained by the quantum search do not satisfy at least one of the constraint conditions determined by the solution determination unit, one in the Hamiltonian. It is provided with a correction unit that generates a correction Hamiltonian with a fixed variable of the unit.
本開示の各態様に係る計算装置は、コンピュータによって実現してもよい。この場合には、コンピュータを、前記計算装置が備える各部(ソフトウェア要素)として動作させてもよい。この場合、前記計算装置をコンピュータにて実現させる計算プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本開示の範疇に入る。 The arithmetic unit according to each aspect of the present disclosure may be realized by a computer. In this case, the computer may be operated as each part (software element) included in the arithmetic unit. In this case, a calculation program for realizing the calculation device by a computer and a computer-readable recording medium on which the calculation device is recorded are also included in the scope of the present disclosure.
本開示の一態様によれば、数理モデルの全ての制約条件を満たす解が、量子探索によって得られる蓋然性が向上する。 According to one aspect of the present disclosure, the probability that a solution satisfying all the constraint conditions of the mathematical model can be obtained by quantum search is improved.
〔実施形態〕
<計算装置の概要>
以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。
[Embodiment]
<Overview of arithmetic unit>
Hereinafter, one embodiment of the present disclosure will be described in detail.
本実施形態に係る計算方法は、数理モデルの系全体のエネルギーを最小化する、当該数理モデルにおける変数の組み合わせを、アニーリングマシンによって計算する方法である。本実施形態においては、上記数理モデルのエネルギーを表すハミルトニアンを生成し、当該ハミルトニアンからQUBO行列を生成し、当該QUBO行列をアニーリングマシンによって解くことにより計算を行う。 The calculation method according to the present embodiment is a method of calculating a combination of variables in the mathematical model by an annealing machine, which minimizes the energy of the entire system of the mathematical model. In the present embodiment, a Hamiltonian representing the energy of the mathematical model is generated, a QUATBO matrix is generated from the Hamiltonian, and the calculation is performed by solving the QUATBO matrix with an annealing machine.
本実施形態に係る数理モデルの計算方法について、図1および図2を参照してより詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る数理モデルの計算方法を説明するためのフローチャートである。図2は、図1のフローチャートに示す計算方法を実行するための計算装置2のブロック図である。
The calculation method of the mathematical model according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a flowchart for explaining a calculation method of a mathematical model according to the present embodiment. FIG. 2 is a block diagram of a
図2に示すように、本実施形態に係る計算装置2は、アニーリングマシン4による計算を実行するためのデータを生成し、当該計算結果を蓄積および表示するための装置である。計算装置2は、操作部6と、メモリ8と、制御部10と、通信部12と、表示部14とを備える。また、制御部10は、ハミルトニアン生成部16と、QUBO行列生成部18と、解判定部20と、補正部22とを備える。さらに、補正部22は、固定変数決定部24と、補正ハミルトニアン生成部26と、補正ハミルトニアン評価部28と、変数固定解除部30とを備える。
As shown in FIG. 2, the
操作部6は、例えば、計算装置2の使用者によって操作される。例えば、操作部6は、計算装置2による計算のためのデータを外部から入力するために使用される、キーボード等を含んでいてもよい。例えば、操作部6は、数理モデルの各パラメータ、または、数理モデルを計算する際の設定等を行うためのデータを入力するために使用されてもよい。
The
メモリ8は、計算装置2の備える各部から入力されたデータを少なくとも一時的に記憶する。メモリ8が記憶するデータは、計算装置2の備える各部から適宜読み出される。
The
制御部10は、計算装置2に入力された、数理モデルのパラメータ、および、計算の設定に基づいて、アニーリングマシン4による計算を実行するためのデータを生成する。制御部10の各部の詳細な動作は、本実施形態に係る計算方法についての説明と併せ、後により詳細に説明する。
The
通信部12は、メモリ8から読み出したデータの少なくとも一部を、計算装置2の外部機器へ送信し、当該外部機器から送信されたデータを受信し、メモリ8に記録するための通信装置である。本実施形態において、通信部12は、アニーリングマシン4とデータの相互通信が可能である。
The
表示部14は、メモリ8からの読み出したデータの少なくとも一部を、計算装置2の使用者等に表示するための装置である。例えば、表示部14は、計算装置2に入力されたデータ、計算装置2の計算の設定、または、アニーリングマシン4による計算の結果等を表示するモニタであってもよい。
The
<数理モデルの定式化>
本実施形態に係る数理モデルの計算方法においては、はじめに、数理モデルを定式化し、数理モデルの系全体のエネルギーを表現するハミルトニアンHを生成する(ステップS2)。ステップS2においては、例えば、はじめに、計算装置2の使用者が、操作部6によって、計算したい数理モデルの各パラメータを計算装置2に入力する。入力された数理モデルの各パラメータは、メモリ8に一時的に記録されてもよい。入力された数理モデルの各パラメータは、次いで、制御部10のハミルトニアン生成部16に読み出される。
<Formulation of mathematical model>
In the calculation method of the mathematical model according to the present embodiment, first, the mathematical model is formulated to generate Hamiltonian H expressing the energy of the entire system of the mathematical model (step S2). In step S2, for example, first, the user of the
ハミルトニアン生成部16は、メモリ8から読み出したデータを解析し、数理モデルを表す式を生成し、当該式をQUBOモデルに沿って定式化した式に変換する。これにより、ハミルトニアン生成部16は、例えば、目的関数HOと、数理モデルにおける制約条件を定式化した制約条件式HLとを生成する。次いで、ハミルトニアン生成部16は、生成した目的関数HOおよび制約条件式HLを合成して、ハミルトニアンHを生成する。例えば、ハミルトニアンHは、H=HO+HLと表される。
The
目的関数HOがQUBOモデルを定式化した式である場合、目的関数HOは、例えば、下記式(1)によって表現される。 When the objective function HO is a formulation of the QUABO model, the objective function HO is expressed by, for example, the following equation (1).
式(1)において、xiは、0または1の値を取るバイナリ変数である。また、aiおよびbijは、それぞれ、1次の項および2次の項の係数である。また、i、j、およびhは自然数である。また、hは、数理モデルにおける各変数の取り得る組み合わせの総数に対応する。スピン変数si=±1を用いて、xi=(si+1)/2と表現できることから、目的関数HOは、イジングモデルのエネルギー関数と等価である。 In equation (1), x i is a binary variable that takes a value of 0 or 1. Further, ai and bij are coefficients of the first-order term and the second-order term, respectively. Also, i, j, and h are natural numbers. Also, h corresponds to the total number of possible combinations of each variable in the mathematical model. Since the spin variable s i = ± 1 can be expressed as x i = (s i +1) / 2, the objective function HO is equivalent to the energy function of the Ising model.
制約条件式HLは、例えば、係数Cl等を用いて、以下の式(2)のように表現できる。 The constraint condition equation HL can be expressed as the following equation (2) by using, for example, a coefficient Cl or the like.
ここで、Llは、それぞれ、制約条件を定式化した制約条件項である。制約条件項Llは、元の数理モデルにおける制約条件を満たさない組み合わせの場合に増大する項である。これにより、元の数理モデルにおける制約条件が満たされない場合に、系全体のエネルギーを増大させて、解として採用されないように設定することが可能である。なお、式(2)におけるkは自然数であり、数理モデルにおける制約条件の個数に対応する。 Here, L l is a constraint condition term in which the constraint condition is formulated, respectively. The constraint term L l is a term that increases in the case of a combination that does not satisfy the constraint condition in the original mathematical model. This makes it possible to increase the energy of the entire system so that it is not adopted as a solution when the constraints in the original mathematical model are not satisfied. In addition, k in the equation (2) is a natural number and corresponds to the number of constraint conditions in the mathematical model.
<アニーリング工程>
次いで、量子探索工程として、ハミルトニアンHに対し、量子アニーリングを実行する(ステップS4)、アニーリング工程を実行する。ステップS4においては、はじめに、ハミルトニアンHに関するデータを、ハミルトニアン生成部16からQUBO行列生成部18に入力することにより、ハミルトニアンHに対するQUBO行列を生成する。
<Annealing process>
Next, as a quantum search step, a quantum annealing step is executed for the Hamiltonian H (step S4), and an annealing step is executed. In step S4, first, data regarding the Hamiltonian H is input from the
QUBO行列は、対応するハミルトニアンをQUBOモデルの行列によって表現する上三角行列である。あるハミルトニアンからのQUBO行列の生成は、一般に用いられる、ハミルトニアンをQUBO行列に変換する手法を採用できる。これにより、アニーリングマシンによって計算可能なQUBO行列が生成される。生成されたQUBO行列は、例えば、少なくとも一時的に、メモリ8に記録される。
The QUAD matrix is an upper triangular matrix that expresses the corresponding Hamiltonian by the matrix of the QUABO model. For the generation of a QUATBO matrix from a Hamiltonian, a commonly used method of converting a Hamiltonian to a QUABO matrix can be adopted. This produces a QUAD matrix that can be calculated by the annealing machine. The generated QUAD matrix is recorded in
次いで、ハミルトニアンHから生成されたQUBO行列を、アニーリングマシン4に入力し、アニーリングマシン4を用いて計算する。例えば、通信部12が、メモリ8からQUBO行列のデータを読み出し、アニーリングマシン4に送信する。QUBO行列のデータを受信したアニーリングマシン4は、QUBO行列のデータを受信して、当該QUBO行列に対する量子アニーリングを実行する。なお、通信部12は、QUBO行列生成部18から直接QUBO行列に関するデータを受信し、アニーリングマシン4への当該データの送信を行ってもよい。
Next, the QUAD matrix generated from Hamiltonian H is input to the annealing machine 4 and calculated using the annealing machine 4. For example, the
以上より、少なくとも、計算装置2における、通信部12、およびQUBO行列生成部18は、ハミルトニアンHに対する量子アニーリングを実行させるための、実行部として機能する。
From the above, at least the
これにより、ハミルトニアンHのエネルギーを最適化する変数の組み合わせが解として得られる。アニーリングマシン4による計算の結果は、通信部12に送信される。アニーリングマシン4による計算の結果を受信した通信部12は、当該結果をメモリ8に記録する。アニーリングマシン4による計算の結果は、メモリ8から表示部14によって読みだされ、表示部14に表示されてもよい。
As a result, a combination of variables that optimizes the energy of Hamiltonian H is obtained as a solution. The result of the calculation by the annealing machine 4 is transmitted to the
<ハミルトニアンの補正>
ステップS2において生成されるハミルトニアンHは、使用するアニーリングマシン4によって計算可能なデータを生成できる式である必要がある。例えば、本実施形態においては、QUBOモデルの問題を計算するためのアニーリングマシン4を用いて計算を行う。このため、本実施形態においては、数理モデルを定式化してハミルトニアンHを生成する際、後述するQUBO行列を生成可能なハミルトニアンHを生成する必要がある。
<Hamiltonian correction>
The Hamiltonian H generated in step S2 needs to be an expression capable of generating computable data by the annealing machine 4 used. For example, in the present embodiment, the calculation is performed using the annealing machine 4 for calculating the problem of the QUABO model. Therefore, in the present embodiment, when the mathematical model is formulated to generate the Hamiltonian H, it is necessary to generate the Hamiltonian H capable of generating the QUATO matrix described later.
したがって、数理モデルからハミルトニアンHを生成する際、ハミルトニアンHの一部の項について、近似等の補正を行う場合がある。しかしながら、ハミルトニアンHに対し補正を行った場合、補正後のハミルトニアンHの目的関数HOまたは制約条件式HLは、元の数理モデルの目的関数および制約条件を厳密に表現したものではない可能性がある。このように、ハミルトニアンHが数理モデルを厳密に表現できていない場合には、量子アニーリングの結果、不適切な解が求まる可能性がある。 Therefore, when the Hamiltonian H is generated from the mathematical model, some terms of the Hamiltonian H may be corrected by approximation or the like. However, when the Hamiltonian H is corrected, the corrected objective function HO or constraint expression HL of the corrected Hamiltonian H may not be an exact representation of the objective function and constraints of the original mathematical model. There is. As described above, when Hamiltonian H cannot accurately represent a mathematical model, an inappropriate solution may be obtained as a result of quantum annealing.
特に、QUBOモデルは、イジングモデルと等価であり、各量子ビットの2体相互作用までを考慮するモデルである。しかしながら、一般に、数理モデルにおいては、3つ以上の要素の相互作用を考慮する必要がある場合が考えられる。この場合、当該数理モデルの計算過程においては、3体相互作用以上の多体相互作用を考慮する必要がある。 In particular, the QUAO model is equivalent to the Ising model and is a model that considers up to the two-body interaction of each qubit. However, in general, in a mathematical model, it may be necessary to consider the interaction of three or more elements. In this case, it is necessary to consider many-body interactions of three or more bodies in the calculation process of the mathematical model.
このような数理モデルを、QUBOモデルに沿って定式化するためには、多体相互作用項を、2体相互作用項に近似して定式化する必要がある。具体的に、多体相互作用項から2体相互作用項への近似は、追加の補助変数を用いた、ハミルトニアンの次数の削減等の手法が考えられる。 In order to formulate such a mathematical model along the QUAO model, it is necessary to approximate the many-body interaction term to the two-body interaction term. Specifically, for the approximation from the multi-body interaction term to the two-body interaction term, a method such as reduction of the Hamiltonian order using an additional auxiliary variable can be considered.
しかしながら、多体相互作用項を2体相互作用項に近似した場合、ステップS4において、本来の数理モデルにおいて最適な変数の組み合わせが、近似後のハミルトニアンにおいては、エネルギーが増大する組み合わせとなり、解として選択されない場合がある。特に、上記に伴い、ステップS4において、本来の数理モデルにおいて制約条件を満たさない変数の組み合わせが、近似後のハミルトニアンにおいては最適性を有すると判断され、解として選択されてしまう場合がある。 However, when the multi-body interaction term is approximated to the two-body interaction term, in step S4, the optimal combination of variables in the original mathematical model becomes a combination in which the energy increases in the Hamiltonian after approximation, and the solution is as follows. It may not be selected. In particular, in accordance with the above, in step S4, a combination of variables that does not satisfy the constraint conditions in the original mathematical model may be determined to have optimality in the Hamiltonian after approximation and may be selected as a solution.
他にも、本実施形態においては、数理モデルをQUBOモデルに変換して計算を実行する都合上、当該数理モデルを定式化した際に、目的関数および制約条件式の何れかに、3次以上の項が含まれる場合、当該項を2次までの項に近似する必要がある。この場合においても、ステップS4において、本来の数理モデルにおいて最適性を有する変数の組み合わせが、解として採用されず、特に、数理モデルにおける制約条件を満たさない変数の組み合わせが、解として採用されてしまう問題が生じる。 In addition, in the present embodiment, for the convenience of converting a mathematical model into a QUA model and executing a calculation, when the mathematical model is formulated, one of the objective function and the constraint condition expression is cubic or higher. If the term is included, it is necessary to approximate the term to the terms up to the second order. Even in this case, in step S4, the combination of variables having the optimum in the original mathematical model is not adopted as the solution, and in particular, the combination of the variables that does not satisfy the constraints in the mathematical model is adopted as the solution. Problems arise.
<解判定工程および補正工程>
本実施形態に係る計算方法においては、数理モデルにおける制約条件を満たさない解が得られた場合、ハミルトニアンHを補正して、数理モデルにおける制約条件を満たす解が得られる蓋然性を向上させる。当該目的を実現するため、本実施形態に係る計算方法においては、ステップS4において得られた解が、数理モデルの制約条件を満たすか否かを判定する必要がある。
<Solution determination process and correction process>
In the calculation method according to the present embodiment, when a solution that does not satisfy the constraint conditions in the mathematical model is obtained, the Hamiltonian H is corrected to improve the probability that a solution that satisfies the constraint conditions in the mathematical model can be obtained. In order to realize the object, in the calculation method according to the present embodiment, it is necessary to determine whether or not the solution obtained in step S4 satisfies the constraint condition of the mathematical model.
具体的に、本実施形態においては、ステップS4における量子アニーリングにより得られた解を解析して、当該解が、数理モデルが含む制約条件のうち、少なくとも一つの制約条件を満たしているか否かを判定する(ステップS6)、解判定工程を実行する。解判定工程は、解判定部20が、ステップS4における量子アニーリングにより得られた解のデータをメモリ8から読み出し、当該解を解析することにより実行される。
Specifically, in the present embodiment, the solution obtained by quantum annealing in step S4 is analyzed to determine whether or not the solution satisfies at least one of the constraints included in the mathematical model. The determination (step S6) and the solution determination step are executed. The solution determination step is executed by the
ステップS6においては、数理モデルにおける全ての制約条件のそれぞれに対し、ステップS4において得られた解が当該制約条件を満たす否かを判定してもよい。一方、ステップS6においては、数理モデルにおける全ての制約条件のうち、一つ以上の、ある特定の制約条件に対してのみ、ステップS4において得られた解が当該制約条件を満たす否かを判定してもよい。 In step S6, it may be determined whether or not the solution obtained in step S4 satisfies the constraint condition for each of all the constraint conditions in the mathematical model. On the other hand, in step S6, it is determined whether or not the solution obtained in step S4 satisfies the constraint condition only for one or more specific constraint conditions among all the constraint conditions in the mathematical model. You may.
ステップS4における量子アニーリングにより得られた解が、ステップS6において判定を行った制約条件のうち、少なくとも一つでも満たしていない場合、ハミルトニアンHを補正する、補正工程を実行する。具体的に、補正工程においては、ハミルトニアンHにおける一部の変数の値を固定することにより、ハミルトニアンHの補正を行う。 If the solution obtained by quantum annealing in step S4 does not satisfy at least one of the constraints determined in step S6, a correction step of correcting Hamiltonian H is executed. Specifically, in the correction step, the Hamiltonian H is corrected by fixing the values of some variables in the Hamiltonian H.
より具体的には、補正工程において、はじめに、ハミルトニアンHに含まれる変数のうち、どの変数の値を固定するかを決定する(ステップS8)。 More specifically, in the correction step, first, among the variables included in the Hamiltonian H, which variable value is fixed is determined (step S8).
ステップS8においては、例えば、解判定部20から、補正部22の固定変数決定部24へ、ステップS4において得られた解が、数理モデルの何れかの制約条件を満たしていないことを示すデータが送信される。併せて、解判定部20から、補正部22の固定変数決定部24へ、ステップS4において得られた解、数理モデルの制約条件、およびハミルトニアンHのそれぞれに関するデータが送信される。これを受け、固定変数決定部24が、当該データを解析することにより、ハミルトニアンHに含まれる変数のうち、どの変数の値を固定するかが決定される。
In step S8, for example, the
ステップS8においては、例えば、ハミルトニアンHに含まれる変数のうち、ステップS4により得られた解が満たしている制約条件に対応する制約条件項Llが含む変数を、値を固定する変数に優先的に決定する。さらに、ステップS8においては、例えば、ハミルトニアンHに含まれる変数のうち、値の変動により、ハミルトニアンHのエネルギーの増大に作用する要因となっている変数を、値を固定する変数に優先的に決定する。 In step S8, for example, among the variables included in Hamiltonian H, the variables included in the constraint condition term L l corresponding to the constraint condition satisfied by the solution obtained in step S4 are given priority over the variables whose values are fixed. To decide. Further, in step S8, for example, among the variables included in Hamiltonian H, the variables that are factors that affect the increase in the energy of Hamiltonian H due to the fluctuation of the value are preferentially determined as the variables whose values are fixed. do.
次いで、ステップS8において決定された、値を固定する変数のデータに基づき、ハミルトニアンHのうち、一部の変数の値を固定した、補正ハミルトニアンH’を生成する(ステップS10)。 Next, a corrected Hamiltonian H'with fixed values of some of the Hamiltonian H is generated based on the data of the variable having a fixed value determined in step S8 (step S10).
ステップS10においては、固定変数決定部24から、補正ハミルトニアン生成部26へ、値を固定する変数のデータ、ステップS4において得られた解のデータ、およびハミルトニアンHに関するデータが送信される。これを受け、補正ハミルトニアン生成部26が、これらのデータを解析し、補正ハミルトニアンH’に関するデータを生成する。
In step S10, the fixed
補正ハミルトニアンH’は、補正目的関数H’Oおよび補正制約条件式H’Lとを用いて、H’=H’O+H’Lと表すことができる。ここで、補正目的関数H’Oは、目的関数HOを、ステップS8において決定された、値を固定する変数について、値を固定することにより変形した項である。補正制約条件式H’Lは、補正制約条件項L’lを用いて、以下の式(3)に示す式にて表現できる。 The corrected Hamiltonian H'can be expressed as H' = H'O + H'L using the correction objective function H'O and the correction constraint equation H'L. Here, the correction objective function H'O is a term obtained by transforming the objective function HO with respect to the variable for which the value is fixed, which is determined in step S8, by fixing the value. The correction constraint condition formula H'L can be expressed by the formula shown in the following formula (3) using the correction constraint condition term L'l .
ここで、補正制約条件項L’lのそれぞれは、制約条件項Llのそれぞれを、ステップS8において決定された、値を固定する変数について、値を固定することにより変形した項である。ここで、補正目的関数H’Oおよび補正制約条件式H’Lにおける、値を固定する変数のそれぞれの値は、ステップS4において得られた解の一部を適用する。 Here, each of the correction constraint condition terms L' l is a term in which each of the constraint condition terms L l is modified by fixing the value with respect to the variable for fixing the value determined in step S8. Here, a part of the solution obtained in step S4 is applied to each value of the variable whose value is fixed in the correction objective function H'O and the correction constraint condition expression H'L .
なお、補正制約条件項L’lのうち一部の項が含む変数が、ステップS8において決定された、値を固定する変数のみである場合がある。この場合、当該補正制約条件項L’lは、値を固定されていない他の変数の値によらず一定の値をとる定数項となる。補正制約条件項L’lのうちの一部が、定数項となることは、数理モデルにおける制約条件のうち、考慮すべき制約条件が減ることを意味する。 In addition, the variable included in some of the correction constraint condition terms L' l may be only the variable whose value is fixed, which is determined in step S8. In this case, the correction constraint condition term L' l is a constant term that takes a constant value regardless of the values of other variables whose values are not fixed. The fact that a part of the correction constraint term L' l becomes a constant term means that the number of constraints to be considered among the constraints in the mathematical model is reduced.
また、目的関数HOおよび制約条件項Llのうち一部の項が、ステップS8において決定された、値を固定する変数を含まない場合が考えられる。ステップS8において決定された、値を固定する変数を含まない目的関数HOおよび制約条件項Llのそれぞれは、対応する補正目的関数H’Oおよび補正制約条件項L’lのそれぞれと恒等である。 Further, it is conceivable that some of the objective function HO and the constraint term L l do not include the variable whose value is fixed, which is determined in step S8. Each of the objective function HO and the constraint condition term L l , which is determined in step S8 and does not include a variable for fixing the value, is equal to each of the corresponding correction objective function H'O and the correction constraint condition term L' l . Is.
<補正ハミルトニアンの評価および変数固定解除>
次いで、生成された補正ハミルトニアンH’の評価を行う(ステップS12)、補正ハミルトニアン評価工程を実行する。ステップS12は、補正ハミルトニアン生成部26から補正ハミルトニアン評価部28へ、補正ハミルトニアンH’に関するデータを送信し、当該データを補正ハミルトニアン評価部28が解析することにより実行される。
<Evaluation of corrected Hamiltonian and defixation of variables>
Next, the generated corrected Hamiltonian H'is evaluated (step S12), and the corrected Hamiltonian evaluation step is executed. Step S12 is executed by transmitting data related to the corrected Hamiltonian H'from the corrected Hamiltonian generation unit 26 to the corrected
ステップS12においては、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングを実行した場合に得られる解が、数理モデルにおける制約条件のうち、少なくとも一つの制約条件を満たす可能性があるか否かについて判定を行う。当該判定は、生成された補正ハミルトニアンH’のパラメータを解析することにより、容易に実行することができる。 In step S12, it is determined whether or not the solution obtained by performing quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'may satisfy at least one constraint condition in the mathematical model. The determination can be easily performed by analyzing the parameters of the generated corrected Hamiltonian H'.
ステップS12において、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングを実行した場合に得られる解が、ステップS12において判定を行った制約条件の全てを満たす解が存在する可能性がないと判定されたとする。この場合、ステップS12に次いで、補正ハミルトニアンH’において値が固定されていた変数のうち、少なくとも一部の変数について、値の固定を解除する(ステップS14)、変数固定解除工程を実施する。 It is assumed that it is determined in step S12 that the solution obtained when quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'is unlikely to exist that satisfies all of the constraints determined in step S12. In this case, following step S12, at least some of the variables whose values were fixed in the corrected Hamiltonian H'are released from the fixed values (step S14), and the variable fixing release step is performed.
ステップS14においては、補正ハミルトニアン評価部28から変数固定解除部30へ、ステップS12における判定の結果、補正ハミルトニアンH’、および値を固定した変数の、それぞれのデータを送信する。これを受け、変数固定解除部30が、当該データを解析し、補正ハミルトニアンH’において値が固定されていた変数のうち、少なくとも一部の変数について、値の固定を解除した、新たなハミルトニアンを生成する。
In step S14, the corrected
ステップS14においては、補正ハミルトニアンH’において値が固定されていた変数のうち、一部の変数のみについて、値の固定を解除してもよい。この場合、変数固定解除部30が生成するハミルトニアンは、補正ハミルトニアンH’において値が固定されていた変数のうち、一部の変数についてのみ値が固定された、新たな補正ハミルトニアンH’’となる。
In step S14, among the variables whose values were fixed in the corrected Hamiltonian H', only some of the variables may be released from the fixed values. In this case, the Hamiltonian generated by the variable fixing
一方、ステップS14においては、補正ハミルトニアンH’において値が固定されていた全て変数について、値の固定を解除してもよい。この場合、変数固定解除部30が生成するハミルトニアンは、ステップS2においてハミルトニアン生成部16により生成されたハミルトニアンHと恒等である。
On the other hand, in step S14, the fixed value may be released for all the variables whose values were fixed in the corrected Hamiltonian H'. In this case, the Hamiltonian generated by the variable fixing
ステップS12およびステップS14の実行により、少なくとも一つの制約条件を満たすことがない補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングが実行されてしまう蓋然性を低減できる。このため、ステップS12およびステップS14を含む本実施形態に係る計算方法は、より効率的に数理モデルの解探索のアルゴリズムを実行する。 By executing steps S12 and S14, it is possible to reduce the probability that quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'that does not satisfy at least one constraint condition will be executed. Therefore, the calculation method according to the present embodiment including step S12 and step S14 executes the algorithm for finding the solution of the mathematical model more efficiently.
<量子アニーリングの再実行>
ステップS14が実行されなかった場合、補正ハミルトニアン評価部28から、補正ハミルトニアンH’に関するデータが、QUBO行列生成部18に送信され、補正ハミルトニアンH’に対応するQUBO行列が生成される。また、ステップS14が実行された場合、変数固定解除部30が生成する補正ハミルトニアンH’’またはハミルトニアンHに関するデータが、QUBO行列生成部18に送信され、対応するQUBO行列が生成される。
<Re-execution of quantum annealing>
If step S14 is not executed, the corrected
以降、QUBO行列生成部18が生成したQUBO行列に対する量子アニーリングが、上述したステップS4と同一の手法により実行される。続いて、ステップS6を再度実行し、当該量子アニーリングにより得られた解が、数理モデルの制約条件の少なくとも一つを満たすか否かを判定する。
After that, quantum annealing for the QUAD matrix generated by the QUABO
当該量子アニーリングにより得られた解が、当該ステップS6により、数理モデルにおける制約条件を満たすと判定された場合、当該解を、数理モデルにおける最適解として採用し(ステップS16)、数理モデルの計算を完了する。ステップS16において採用された解は、例えば、当該解に関するデータを、メモリ8から表示部14に送信することにより、表示部14に表示してもよい。
If the solution obtained by the quantum annealing is determined by step S6 to satisfy the constraint condition in the mathematical model, the solution is adopted as the optimum solution in the mathematical model (step S16), and the calculation of the mathematical model is performed. Complete. The solution adopted in step S16 may be displayed on the
一方、ステップS6において、上記量子アニーリングにより得られた解が、数理モデルにおける制約条件を満たさないと再度判定された場合、再度ステップS8が実行される。 On the other hand, if it is determined again in step S6 that the solution obtained by the quantum annealing does not satisfy the constraint condition in the mathematical model, step S8 is executed again.
例えば、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングにより得られた解が、ステップS6において、判定を行った制約条件のうち、少なくとも一つを満たさないと判定されたとする。この場合、続くステップS8においては、補正ハミルトニアンH’において既に値が固定されている変数の値をそのままに、新たに値を固定する変数を決定し、値を固定してもよい。あるいは、ステップS8において、補正ハミルトニアンH’において既に値が固定されている変数について、値の固定を解除し、新たに値を固定する変数を設定してもよい。ここで、新たに値を固定する変数の値は、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングにより得られた解の一部を採用してもよい。 For example, it is assumed that the solution obtained by quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'does not satisfy at least one of the constraints determined in step S6. In this case, in the subsequent step S8, the value of the variable whose value has already been fixed in the corrected Hamiltonian H'may be kept as it is, and a variable whose value is newly fixed may be determined and the value may be fixed. Alternatively, in step S8, for the variable whose value is already fixed in the corrected Hamiltonian H', the fixed value may be released and a new variable whose value is fixed may be set. Here, as the value of the variable whose value is newly fixed, a part of the solution obtained by quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'may be adopted.
以降、ステップS10、ステップS12が実行され、場合によってはステップS14が追加にて実行される。これにより新たな補正後のハミルトニアンが得られ、再度ステップS4が実行されることにより、新たな補正後のハミルトニアンに対する量子アニーリングが実行される。ステップS4からステップS14は、ステップS6において、量子アニーリングにより得られた解が、数理モデルの少なくとも一つの制約条件を満たすと判定されるまで、繰り返し実行される。 After that, steps S10 and S12 are executed, and in some cases, step S14 is additionally executed. As a result, a new corrected Hamiltonian is obtained, and by executing step S4 again, quantum annealing for the new corrected Hamiltonian is executed. Steps S4 to S14 are repeatedly executed in step S6 until the solution obtained by quantum annealing is determined to satisfy at least one constraint condition of the mathematical model.
<計算方法および計算装置が奏する効果>
補正ハミルトニアンH’は、ハミルトニアンHと比較して、一部の変数の値が固定されている。このため、補正ハミルトニアンH’は、ハミルトニアンHと比較して、量子アニーリングによる解探索において、各変数の取り得る値の組み合わせが制限される。換言すれば、補正ハミルトニアンH’は、ハミルトニアンHと比較して、量子アニーリングによる解探索において、各変数の値が、制約条件を満たさない値となる蓋然性が低下する。したがって、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングの結果得られる解は、ハミルトニアンHに対する量子アニーリングの結果得られる解と比較して、より制約条件を満たす蓋然性が向上している。
<Effects of calculation method and calculation device>
In the corrected Hamiltonian H', the values of some variables are fixed as compared with the Hamiltonian H. Therefore, the corrected Hamiltonian H'is limited in the combination of possible values of each variable in the solution search by quantum annealing as compared with the Hamiltonian H. In other words, the corrected Hamiltonian H'has a lower probability that the value of each variable will not satisfy the constraint condition in the solution search by quantum annealing as compared with the Hamiltonian H. Therefore, the solution obtained as a result of quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'is more likely to satisfy the constraint condition than the solution obtained as a result of quantum annealing for Hamiltonian H.
さらに、当該変数の値は、ステップS6において判定された、数理モデルの制約条件を全て満たす値である。このため、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングは、変数の少なくとも一部が、既に数理モデルの制約条件の少なくとも一部を満たす値に固定された状態において実行される。したがって、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングの結果得られる解は、ハミルトニアンHに対する量子アニーリングの結果得られる解と比較して、より制約条件を満たす蓋然性がさらに向上している。 Further, the value of the variable is a value that satisfies all the constraints of the mathematical model determined in step S6. Therefore, quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'is performed in a state where at least a part of the variables is already fixed to a value that satisfies at least a part of the constraints of the mathematical model. Therefore, the solution obtained as a result of quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'is more likely to satisfy the constraint condition than the solution obtained as a result of quantum annealing for Hamiltonian H.
加えて、補正ハミルトニアンH’において値が固定された変数は、ステップS4において得られた解と一致するように値が固定されている。ステップS4において得られた解は、その一部が制約条件を満たさないものの、ハミルトニアンHにおける最適性を有する解であるといえる。したがって、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングは、変数の少なくとも一部が、数理モデルにおいて、少なくとも局所的に最適性を有する値に固定された状態において実行される。ゆえに、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングの結果得られる解は、少なくとも局所的に、数理モデルにおける最適性を有している。 In addition, the variable whose value is fixed in the corrected Hamiltonian H'is fixed in value so as to match the solution obtained in step S4. It can be said that the solution obtained in step S4 has the optimum in Hamiltonian H, although some of them do not satisfy the constraints. Therefore, quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'is performed with at least some of the variables fixed to at least locally optimal values in the mathematical model. Therefore, the solution obtained as a result of quantum annealing for the corrected Hamiltonian H'has optimality in the mathematical model, at least locally.
以上により、本実施形態に係る計算方法によれば、数理モデルにおいて、少なくとも局所的に最適性を有し、かつ、数理モデルにおける制約条件を満たす解を得られる蓋然性が向上する。 As described above, according to the calculation method according to the present embodiment, it is possible to obtain a solution that has at least local optimum in the mathematical model and satisfies the constraint condition in the mathematical model.
さらに、補正ハミルトニアンH’において値が固定された変数は、ステップS4における量子アニーリングの過程において、エネルギーを増大させる要因となる変数が選択されている。このため、補正ハミルトニアンH’は、ハミルトニアンHと比較して、量子アニーリングによる解探索の過程におけるエネルギーの増大が抑制され、より最適な解がより効率的に探索される。したがって、補正ハミルトニアンH’’に対する量子アニーリングの結果得られる解は、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングの結果得られる解と比較して、より最適性を有する蓋然性が向上する。 Further, as the variable whose value is fixed in the corrected Hamiltonian H', a variable that causes an increase in energy is selected in the process of quantum annealing in step S4. Therefore, in the corrected Hamiltonian H', the increase in energy in the process of solution search by quantum annealing is suppressed as compared with the Hamiltonian H, and a more optimal solution is searched more efficiently. Therefore, the solution obtained as a result of quantum annealing for the corrected Hamiltonian H ″ is more likely to be more optimal than the solution obtained as a result of the quantum annealing for the corrected Hamiltonian H ′.
なお、ステップS14において、補正ハミルトニアンH’において値を固定した変数のうち、一部の変数について、値の固定を解除し、補正ハミルトニアンH’’を生成する場合が考えられる。この場合、補正ハミルトニアンH’’に対する量子アニーリングの結果得られる解についても、ハミルトニアンHに対する量子アニーリングの結果得られる解と比較して、より制約条件を満たす蓋然性が向上している。 In step S14, among the variables whose values are fixed in the corrected Hamiltonian H ′, the fixed values may be released from some variables to generate the corrected Hamiltonian H ″. In this case, the solution obtained as a result of quantum annealing for the corrected Hamiltonian H ″ is more likely to satisfy the constraint condition than the solution obtained as a result of quantum annealing for Hamiltonian H.
加えて、補正ハミルトニアンH’’において値が固定された変数の個数は、補正ハミルトニアンH’において値が固定された変数と比較して少なくなっている。このため、補正ハミルトニアンH’’は、補正ハミルトニアンH’と比較して、変数の自由度が向上しており、解探索の範囲がより大域的となる。ゆえに、補正ハミルトニアンH’’に対する量子アニーリングの結果得られる解は、補正ハミルトニアンH’に対する量子アニーリングの結果得られる解と比較して、より大域的な最適性を有する蓋然性が向上する。 In addition, the number of variables with fixed values in the corrected Hamiltonian H ″ is smaller than the number of variables with fixed values in the corrected Hamiltonian H ′. Therefore, the corrected Hamiltonian H ″ has an improved degree of freedom of variables as compared with the corrected Hamiltonian H ′, and the range of the solution search becomes wider. Therefore, the solution obtained as a result of quantum annealing for the corrected Hamiltonian H ″ is more likely to have more global optimization than the solution obtained as a result of quantum annealing for the corrected Hamiltonian H ′.
また、上述したように、ステップS14において、補正ハミルトニアンH’において値を固定した全ての変数について、値の固定を解除した場合、続くステップS4においては、再度ハミルトニアンHに対する量子アニーリングが実行されることとなる。しかしながら、量子アニーリングは、メタヒューリスティックな計算アルゴリズムであり、同一の計算パラメータに基づく計算であっても、計算する度に得られる解が異なる場合がある。したがって、例えば、ステップS4において、ハミルトニアンHに対する量子アニーリングが再度実行されたとしても、異なる解が得られ、制約条件を満たす解が得られる場合がある。ゆえに、上述した場合においても、本実施形態に係る計算方法によれば、数理モデルにおける制約条件を満たす解を得られる蓋然性は向上している。 Further, as described above, when the fixed values are released for all the variables whose values are fixed in the corrected Hamiltonian H'in step S14, the quantum annealing for the Hamiltonian H is executed again in the following step S4. Will be. However, quantum annealing is a metaheuristic calculation algorithm, and even if the calculation is based on the same calculation parameters, the solution obtained may differ each time the calculation is performed. Therefore, for example, even if quantum annealing for Hamiltonian H is executed again in step S4, a different solution may be obtained and a solution satisfying the constraint condition may be obtained. Therefore, even in the above-mentioned case, according to the calculation method according to the present embodiment, the probability of obtaining a solution satisfying the constraint condition in the mathematical model is improved.
<補記>
本実施形態に係る数理モデルは、量子アニーリングにより、変数の値の最適な組み合わせを探索可能なモデルであり、かつ、定式化の際に近似等の補正を行う必要があるモデルを適用することができる。例えば、本実施形態に係る数理モデルは、各作業者に、どの日の、どの時間帯に、どの作業を割り当てるかの組み合わせを決定するためのモデルである、レイバースケジューリングモデルを適用してもよい。この場合、例えば、目的関数HOとして、各作業者の作業時間との積の合計値、および、各作業者が希望する休日が実現しなかった場合に値が増大する関数を組み合わせたものを採用してもよい。また、当該レイバースケジューリングモデルの制約条件として、各作業に必要な作業者数、各作業者の一日の労働時間制限、あるいは、各作業者に割り当てが必要な休日日数等を設定してもよい。
<Supplementary note>
The mathematical model according to the present embodiment is a model that can search for the optimum combination of variable values by quantum annealing, and it is possible to apply a model that needs to be corrected such as approximation at the time of formulation. can. For example, in the mathematical model according to the present embodiment, a labor scheduling model, which is a model for determining a combination of which work is assigned to each worker on which day and at which time zone, may be applied. .. In this case, for example, the objective function HO is a combination of the total value of the product of the working hours of each worker and the function whose value increases when the holiday desired by each worker is not realized. It may be adopted. Further, as the constraint condition of the labor scheduling model, the number of workers required for each work, the daily working time limit of each worker, the number of holiday days required to be assigned to each worker, and the like may be set. ..
本実施形態においては、量子探索のアルゴリズムとして、アニーリングマシンを利用した量子アニーリングを実行するアルゴリズムについて説明を行った。しかしながら、本実施形態に係る計算方法は、これに限られず、イジングモデルを定式化して得られたハミルトニアンに対し、量子探索を実行するアルゴリズムに対して適用することが可能である。例えば、本実施形態に係る計算方法は、数理モデルを定式化して得られたハミルトニアンを、シミュレーテッド分岐を用いた量子探索のアルゴリズムに適用してもよい。 In this embodiment, as an algorithm for quantum search, an algorithm for executing quantum annealing using an annealing machine has been described. However, the calculation method according to the present embodiment is not limited to this, and can be applied to an algorithm for executing a quantum search for a Hamiltonian obtained by formulating an Ising model. For example, in the calculation method according to the present embodiment, the Hamiltonian obtained by formulating a mathematical model may be applied to a quantum search algorithm using a simulated branch.
<ソフトウェアおよびプログラムによる実施例>
上述した各実施形態に係る制御部10が備える各部は、計算装置2が備える集積回路、換言すれば、ICチップ等に形成された論理回路、換言すれば、ハードウェアによって実現してもよい。あるいは、制御部10が備える各部は、ソフトウェアによって実現してもよい。
<Examples using software and programs>
Each unit included in the
上記各部がソフトウェアである場合、アニーリングマシン4と通信可能な端末において、各部の機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行することにより、制御部10の各部における処理が実行されてもよい。この端末は、例えば1つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶した端末読み取り可能な記録媒体を備えている。上記端末において、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本開示の目的が達成される。したがって、上記プログラムは、制御部10の各部における処理を実行する、計算プログラムとして機能する。
When each of the above parts is software, the processing in each part of the
上記プロセッサとしては、例えばCPU(Central Processing Unit)を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ROM(Read Only Memory)等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などをさらに備えていてもよい。 As the processor, for example, a CPU (Central Processing Unit) can be used. As the recording medium, a "non-temporary tangible medium", for example, a ROM (Read Only Memory) or the like, a tape, a disk, a card, a semiconductor memory, a programmable logic circuit, or the like can be used. Further, a RAM (Random Access Memory) for expanding the above program may be further provided.
上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して上記端末に供給されてもよい。なお、本開示の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。 The program may be supplied to the terminal via any transmission medium (communication network, broadcast wave, etc.) capable of transmitting the program. It should be noted that one aspect of the present disclosure can also be realized in the form of a data signal embedded in a carrier wave, in which the above program is embodied by electronic transmission.
本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present disclosure.
2 計算装置
10 制御部
12 通信部
16 ハミルトニアン生成部
18 QUBO行列生成部
20 解判定部
22 補正部
24 固定変数決定部
26 補正ハミルトニアン生成部
28 補正ハミルトニアン評価部
30 変数固定解除部
2
Claims (8)
前記量子探索工程により得られた解が、前記数理モデルにおける制約条件のうち、少なくとも一つの制約条件を満たすか否かを判定する解判定工程と、
前記量子探索工程により得られた解が、前記解判定工程において判定を行った制約条件のうち少なくとも一つを満たさない場合、前記ハミルトニアンにおける一部の変数の値を固定した補正ハミルトニアンを生成する補正工程とを含む計算方法。 A quantum search process that executes a quantum search for the Hamiltonian obtained by formulating a mathematical model, and
A solution determination step for determining whether or not the solution obtained by the quantum search step satisfies at least one constraint condition among the constraint conditions in the mathematical model.
If the solution obtained by the quantum search step does not satisfy at least one of the constraints determined in the solution determination step, a correction to generate a corrected Hamiltonian in which the values of some variables in the Hamiltonian are fixed is generated. Calculation method including process.
前記量子探索により得られた解が、前記数理モデルにおける制約条件のうち、少なくとも一つの制約条件を満たすか否かを判定する解判定部と、
前記量子探索により得られた解が、前記解判定部により判定された制約条件のうち少なくとも一つを満たさない場合、前記ハミルトニアンにおける一部の変数の値を固定した補正ハミルトニアンを生成する補正部とを備えた計算装置。 An execution unit that executes a quantum search for the Hamiltonian obtained by formulating a mathematical model,
A solution determination unit for determining whether or not the solution obtained by the quantum search satisfies at least one constraint condition among the constraint conditions in the mathematical model.
When the solution obtained by the quantum search does not satisfy at least one of the constraint conditions determined by the solution determination unit, the correction unit that generates a corrected Hamiltonian with fixed values of some variables in the Hamiltonian. A computing device equipped with.
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