4. 日本の量子コンピュータへの期待
以上で、CIMの動作原理や特徴を解説しました。最後に、CIMを他の量子コンピュータと比較してみましょう。
まず、そもそもCIMが量子コンピュータと呼べるのかには議論があります。これは量子アニーリング方式のD-Waveマシンが量子ゲート方式の量子コンピュータと区別されていることと同様です。D-WaveマシンもCIMもどちらも本質的に古典コンピュータを超えた計算が可能であるという証明はされておらず、また、量子ゲート方式で計算リソースとして用いられる「量子エンタングルメント」は確認されていない状況です。特に測定フィードバックを使うCIMでは、測定によって量子性が壊れるため、量子エンタングルメントは計算リソースとして使われていないと考えられます。そのため、量子ゲート方式の量子コンピュータとは完全に区別する必要があります。但し、ある種の量子性を使って計算されている可能性はあり、論文[17～19]など理論研究が進行中です。そして、現在の最高水準の古典コンピュータと比較して（ある種の問題では）高速に解けたという結果も得られています（論文[10][15][16]）。
また、D-Waveと比較すると、CIMの優位点として、スピンの結合数が非常に多い点と室温動作可能である点が挙げられます。D-Waveマシンは、キメラグラフと呼ばれる疎結合による実装であるため、完全グラフのような密な結合の問題を解くためには、量子ビット数を制限する必要があり、この点はCIMが有利といえます。また、極低温、超高真空が必要な超電導回路で実装されているD-Waveマシンと比較して、室温、常圧で動作するCIMは、管理の大変な冷凍機がいらない点でも有利であると言えます。一方、CIMはFPGAによる逐次的な処理が含まれるため、D-Waveマシンにあるような並列性という点で劣っているとも言えます。さらに、CIMはスピンの相互作用Jijの設定可能な値が現状-1、0、+1の3値であり、D-Waveマシンが数ビットであるのに対して制限が大きいという違いもあります。但し、どちらの方式もまだまだ改善の余地があり、現時点での比較の意味はあまりないかもしれません。今後の開発に注目していきましょう。
日本発の量子コンピュータの今後の発展では、CIMだけでなく、例えば東大の提案なども注目されています。これも光を使った量子コンピュータですが、量子ゲート方式の量子コンピュータをめざしており、CIMよりも量子性の強い方式といえます。
さて、これまでCIMについて解説しましたが、11月27日から、クラウド利用[3]が可能になりました。そのため、実際にビジネスに使えるかどうか、検討することができるようになり、量子コンピュ―タのビジネス応用の扉が開かれました。上記したように、CIMはまだまだ生まれたばかりで、限定的な性能ではありますが、今後の性能向上には、有用なアプリケーションが不可欠です。現場で問題を抱えているITエンジニアの方々がCIMを用いた有用なアプリケーションを探索することで、日本発の量子コンピュータが本当に使える量子コンピュータになっていくと思います。
[3] CIMのクラウド利用
11月28日現在、CIMの体験ウェブサイト「QNNcloud」では、CIM実機のクラウド利用（MACHINES）、MAX-CUT問題を簡単なシミュレータで解きながら基本を学ぶ（PLAYGROUND）、日本語／英語でCIMの原理と関連技術の解説が詳細に記載されている技術資料（DOCUMENT）の3つのコンテンツが利用可能である。
実機のクラウド利用は解ける問題が限定的となっているが、シミュレータやその他の機能を今後拡充していくようである。
論文リスト
- [1] Shoko Utsunomiya, et al., “Mapping of Ising models onto injection-locked laser systems,” OPTICS EXPRESS, Vol. 19, No. 19 (2011)
- [2] Kenta Takata, et al., ”Transient time of an Ising machine based on injection-locked laser network,” New J. Phys. 14 (2012)
- [3] ZHE WANG, et al., ”A COHERENT ISING MACHINE BASED ON DEGENERATE OPTICAL PARAMETRIC OSCILLATORS,” Phys. Rev. A 88 (2013)
- [4] Kenta Takata and Yoshihisa Yamamoto, ” Data search by a coherent Ising machine based on an injection-locked laser network with gradual pumping or coupling,” Phys. Rev. A 89 (2014)
- [5] Alireza Marandi, et al., “Network of Time-Multiplexed Optical Parametric Oscillators as a Coherent Ising Machine,” Nature Photonics 8, (2014)
- [6] Yoshitaka Haribara, et al., “A coherent Ising machine with quantum measurement and feedback control,” arXiv:1501.07030 (2015)
- [7] Shoko Utsunomiya, et al., “Binary phase oscillation of two mutually coupled semiconductor lasers,” OPTICS EXPRESS, Vol. 23, No. 5 (2015)
- [8] Kenta Takata, et al., “Quantum correlation in degenerate optical parametric oscillators with mutual injections,” Phys. Rev. A 92, (2015)
- [9] Kenta Takata, et al., “A 16-bit Coherent Ising Machine for One-Dimensional Ring and Cubic Graph Problems,” Scientific Reports 6, 34089 (2016)
- [10] Yoshitaka Haribara, et al., “A Coherent Ising Machine for MAX-CUT Problems: Performance Evaluation against Semidefinite Programming and Simulated Annealing,” In: Yamamoto Y., Semba K. (eds) Principles and Methods of Quantum Information Technologies. Lecture Notes in Physics, vol 911. Springer, Tokyo (2016)
- [11] Daiki Maruo, et al., ”Truncated Wigner function theory of coherent Ising machines based on degenerate optical parametric oscillator network,” Physica Scripta, Volume 91, Number 8 (2016)
- [12] Takahiro Inagaki, et al., “Large-scale Ising spin network based on degenerate optical parametric oscillators,” Nature Photonics 10 (2016)
- [13] Peter L. McMahon , et al., “A fully-programmable 100-spin coherent Ising machine with all-to-all connections,” Science 20 Oct (2016)
- [14] Takahiro Inagaki, et al., “A coherent Ising machine for 2000-node optimization problems,” Science 04 Nov (2016)
-
[15] Yoshitaka Haribara, et al., "Computational Principle and Performance Evaluation of Coherent Ising Machine Based on Degenerate Optical Parametric Oscillator Network," Entropy, 18, 151(2016)
- [16] Yoshitaka Haribara et al., “Performance evaluation of coherent Ising machines against classical neural networks,” Quantum Sci. Technol. 2 (2017)
- [17] Toru Aonishi, et al., "Statistical Mechanics of Coherent Ising Machine The Case of Ferromagnetic and Finite-Loading Hopfield Models," J. Phys. Soc. Jpn. 86(2017)
- [18] Taime Shoji, et al., "Quantum model for coherent Ising machines: Stochastic differential equations with replicator dynamics," Phys. Rev. A 96 (2017)
- [19] Atsushi Yamamura, et al., "Quantum model for coherent Ising machines: Discrete-time measurement feedback formulation," Phys. Rev. A 96 (2017)
