東芝デジタルソリューションズ株式会社は、株式会社東芝が開発した技術「シミュレーテッド分岐アルゴリズム(SBアルゴリズム)」(2019年04月に発表)を用いた組合せ最適化ソルバー「シミュレーテッド分岐マシン(SBM：Simulated Bifurcation Machine)」を核にソリューションとして体系化した、量子インスパイアード(疑似量子)最適化ソリューション「SQBM+」(エスキュービーエムプラス)を2022年3月2日から提供開始した。
用途に応じた最適化ソルバーをラインアップし、アルゴリズムには速度・精度・規模を大幅に向上させる新たなSBアルゴリズムを採用。同ソリューションにより、コロナ禍で急がれる治療薬に最適な候補物質の選定や、医療従事者の最適な勤務シフトの作成への適用など、各分野の専門知識を持つパートナーと連携・共創し、金融・創薬・遺伝子工学・物流・AIなどさまざまな領域で複雑化する社会課題の解決に貢献していく予定だ。
■【動画】【東芝】シミュレーテッド分岐マシン(TM) （技術概要編）
組合せの最適化について
金融取引の最適化や産業用ロボットの動作の最適化、移動経路や送電経路の最適化、創薬のための分子設計など、社会や産業における課題の多くは、膨大な選択肢から最適なものを選び出す組合せ最適化に帰着する。組合せ最適化は、問題の規模が大きくなるにつれて組合せパターンの数が指数関数的に増大するため、既存の計算機で高速に解くことは困難だ。このため、組合せ最適化専用計算機の開発が国内外で活発に行われている。
東芝グループでは、既存の計算機を使用し、複雑で大規模な問題の高精度な近似解(良解)を短時間で得ることを可能とするSBMを活用して、株式市場における高速高頻度取引への疑似量子計算機適用の有効性に関する共同検証を開始するなど、SBMの有効性の検証を行っている。また、Amazon Web Services Inc.が運営するAWS Marketplaceで全世界に向けてSBMのPoC(概念検証：proof of concept)版を公開し、大学などの研究機関や、社会が抱える課題を組合せ最適化の実問題として解くことを目指している企業と協力して、さまざまな分野での社会課題解決に向けた実問題探索を行ってきた。
「SQBM+」の概要
今回、SBMの技術を活用した新市場開拓と新たなソリューション創出を目指した事業共創の取り組みの成果や、国内外でのさまざまな実証実験を通じて得られた知見を生かし、ソリューションとして体系化した「SQBM+」の提供を開始する。「SQBM」はSimulated Quantum-inspired Bifurcation Machineの頭文字であり、東芝の研究開発センターにおける量子コンピューターの研究過程で発明されたSBアルゴリズムを実装したSBMに由来することを表しており、また、「＋」は、さまざまなサービスを含めたソリューションを意味し、継続的に強化し続けていくことを示すものだ。
今後SQBM+は、現在のAWS Marketplaceでの実行モジュールの提供に加えて、Microsoft Corporationが公開している量子ソリューション向けフルスタックパブリッククラウドエコシステムAzure Quantumでのクラウドサービスの提供、クラウド環境には向かない秘匿性の高いアプリケーションや、超低遅延を必要とするアプリケーション向けのオンプレミス版の提供、パートナーのアプリケーションへの組み込みやOEM提供、さらには、定式化サポートや教育などのプロフェッショナルサービスの提供を予定している。
「SQBM+」の特長
「SQBM+」には、速度・精度・規模を大幅に向上させた新アルゴリズムを採用。汎用的に利用できるイジングソルバーに加えて、目的別ソルバーも提供。また、イジングソルバーをより使い易く、高性能化するための拡張機能やソルバーも提供している。
速度・精度・規模を大幅に向上させた新アルゴリズムを採用
下記の2つのアルゴリズムを自動的に使い分ける機能を実装している。
従来のaSBで生じるエラーを低減する工夫により、シミュレーテッド分岐マシンの高速化と高精度化を実現している。
・他のマシンを凌ぐ計算速度でより高精度な解を見つける高精度アルゴリズム「離散的シミュレーテッド分岐アルゴリズム(dSB)」
疑似量子トンネル効果によって古典力学の限界を打破してさらなる高精度化を実現し、同じ2,000変数問題の最適解(厳密解の推定値)を得ることができる。
用途に応じた最適化ソルバーの提供
汎用的に利用できるイジングソルバー注10に加えて、目的別ソルバーも提供。特定の問題を直接、容易に解くことができる。
汎用的なソルバー。「二次制約なしバイナリ最適化問題（QUBO）」という形式で表した組合せ最適化問題をSBアルゴリズムで解く、SQBM+の基本的なソルバーだ。
・TSPソルバー
「巡回セールスマン問題」と呼ばれる種類の問題をQUBOで表すことなく直接解けるソルバー。
・SHIFTソルバー
各種制約条件下で従業員に各日のジョブを割り当てるようなシフトスケジューリング問題をQUBOで表すことなく直接解けるソルバーとなっている。
適用範囲の拡大
イジングソルバーをより使い易く、高性能化するための拡張機能やソルバーを提供している。
固有パラメータのチューニングを自動化し、手動調整の手間なくより良い解を高速に求める。パラメータ毎の自動調整機能と、パラメータ調整を不要にしたイジングソルバーがある。
・QPソルバー
線形制約付き二次バイナリ最適化問題を直接解けるソルバー。イジングソルバーで同様の問題を解くことに比べ、線形制約のQUBOへの組込みとペナルティパラメータ調整が不要になるので、より容易に、高精度な解が得られるようになる。
・高次項、連続変数対応
現実の組合せ最適化問題では三次以上の項や連続変数を含むことがある。そのような問題をイジングソルバーで解くには、二次式およびバイナリ変数への変換が必要となり、求解性能を劣化させる要因となる。SQBM+ではSBアルゴリズムの特長を活かし、これら高次項や連続変数に対応し、現実の組合せ最適化問題に対してより高い求解性能を実現することを予定している。
同社は、今後も同ソリューションが有用な実問題の探索を積極的に行い、さらなる適用範囲の拡大のための機能強化開発や、お客様への導入を支援するプロフェッショナルサービスの開発を進め、あらゆる最適化ニーズに応えるサービスプラットフォームの提供を目指すと述べている。
提携中パートナー企業からのコメント
今回の発表に際し、現在連携中のパートナー企業であり、Quantum IndustryCanadaのメンバーでもあるCogniFrame社(拠点：カナダ、トロント)と、同じくパートナー企業でMAGELLAN事業を手掛ける株式会社グルーヴノーツより、以下のコメントが届いた。
CogniFrame Inc. CEO Vish Ramakrishnan氏
Unlike existing platforms that primarily offer access to hardware and programming options, we offer a true commercialization platform supporting a plug and play model with access to a ready and growing market through our partnerships with several leading IT services providers, research and educational institutions and other partners globally. With access to production grade SQBM＋™ and a 100 Qubit Gate Simulators supported via desktop access on Windows, Mac and Linux we offer a true cross platform experience. It also solves one of the biggest challenges for Quantum Start Ups – how to make money from their innovation.
株式会社グルーヴノーツ
このたびの量子インスパイアード最適化ソリューションSQBM+の提供開始を心より歓迎いたします。グルーヴノーツは、独自の組合せ最適化モデルを搭載したクラウドプラットフォーム「MAGELLAN BLOCKS(マゼランブロックス)」の提供を通じて、お客様の工程・作業順序の最適化や物流・配送の最適化、積載最適化、勤務シフト最適化などを実現しています。SQBM+との連携により、さらに大規模かつ複雑な組合せ最適化問題に対応できることを期待しています。今後も、製造・流通・金融・官公庁などお客様が抱える問題に応じて、SQBM+対応ソリューションを活用することで、課題解決に取り組んでまいります。
株式会社グルーヴノーツ：https://www.magellanic-clouds.com/blocks/
グルーヴノーツの“量子コンピューター×AI”クラウドプラットフォーム「MAGELLAN BLOCKS」：
https://www.magellanic-clouds.com/blocks/
https://www.global.toshiba/jp/products-solutions/ai-iot/sbm.html
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