Beyond AI Logo

AIを活用した物質の量子的性質の解読 (Quantum ID -物質の「量子指紋」をAIで読み取り利用する-) Analysis of materials’ quantum properties using AI (Quantum ID: Exploiting “Quantum Fingerprintings” of materials with AI)

構成メンバー

People

研究リーダー Project Leader
齊藤 英治 教授 Eiji Saitoh Professor
東京大学 大学院工学系研究科 Graduate School of Engineering, The University of Tokyo
研究者 Researchers
  • 沙川 貴大 准教授 Takahiro Sagawa Associate Professor
  • 大門 俊介 助教 Shunsuke Daimon Assistant Professor

ビデオ

Movie

課題

Challenges

量子物理現象の持つ複雑すぎる情報 Complex nature of information obtained from quantum systems

私たちの認識で捉えられるような古典物理学が支配するマクロスケールな世界と、ミクロなスケールで観察される量子力学が支配する世界は大きく異なっています。ミクロなスケールで起きる量子物性現象を対象にした計測技術は大きく進歩をしていますが、量子そのものや多体系と呼ばれる複数の自由度が影響を及ぼし合うような系で観察される現象はその信号の複雑さ故に、現状の技術や理論では正面から扱うことができません。この限界は、そもそも私たち人間が複雑過ぎる多次元の情報を概念的に理解することができないことと深く関係しています。しかし、例え人間には理解できなくとも、これらのデータはなんらかの物理情報を運んでいるはずです。そこで、急速に発展するAIを活用し、これまで理解不能であった量子物性を解読することで、人間にとって利用できるものに還元します。

The macroscopic world governed by classical physics, as we perceive it, differs vastly from the microscopic world governed by quantum physics. Despite the great strides that have been made in measurement technology for quantum properties, many phenomena observed in the quantum many-body systems, where multiple degrees of freedom influence each other, cannot be addressed directly with current methods due to the complexity of the signals. This limitation is closely related to the fact that we humans are incapable of conceptually comprehending information that is too complex and multi-dimensional. However, even if we cannot understand it, these data carries information of the quantum systems. Thus, the use of rapidly developing AI will facilitate the deciphering of previously incomprehensible quantum properties, and thereby reduce them to something that can be used by humans.

研究の内容

Details of Project

量子物理とAIの融合で新しい研究分野を開拓 Exploring new research fields by combining quantum physics and AI

量子系が示す複雑な信号を読み取り利用するためのAI物理科学の開発が本研究の目標です。従来の科学技術のほとんどの領域では、量子現象に現れる揺らぎをマクロに平均化して扱っており、ミクロの膨大な自由度はほとんど利用されていませんでした。ところがAIの登場により、ミクロ自由度の一部を積極的に利用し、人類が利用可能な物理情報を各段に拡張する方法が見出されました。これにより、量子性や非線形性といった量子の特性を利用した次世代のプロセッシングの実現、つまり情報の記録・演算などの機能をミクロな自由度を使って実装する全く新しいコンピューティングを開発できる可能性が高まっています。

This research aims to develop AI-physical science for reading and using the complex signals produced by quantum systems. Most classical science and technology deals with macroscopic averaging of fluctuations of signals obtained from quantum systems, rarely leveraging the vast microscopic degrees of freedom. However, the emergence of AI has enabled us to actively utilize some of the unused microscopic degrees of freedom and to transcribe it into information human beings can understand. This in turn has increased the possibility of establishing the next-generation processing utilizing various material properties such as quantum nature and nonlinearity, in other words, developing a completely new type of computing that implements functions such as recording and computing information using microscopic degrees of freedom.

【1】AIにより量子の世界を解読する [1] Decoding the quantum world with AI

本研究では、まず“量子ビット”や“量子指紋”と呼ばれる量子の持つ複雑な出力信号を解読し、利用することを目指します。AI研究者と量子物性計測研究者が連携し、測定装置の思い切った融合を行えば、量子コンピューティング技術や量子物理タグ等への応用にもつながることが大いに期待できます。つまり、現実世界を人間が理解できる自由度を超えた複雑な量子の世界に写し取ることが可能になり、ひいては量子人工知能によって人類の認識や考え方および科学技術そのものが拡張されることにつながります。

In this research, we first aim to decipher and utilize complex quantum output signals called “quantum fingerprints” and “quantum bits (qubits).” AI scientists and researchers in the field of quantum physical property measurement collaborate and boldly integrate their measurement devices, contributing to applications such as quantum computing technology and quantum physical tags. In other words, it would allow for mapping the real world into a complex quantum world beyond the degrees of freedom that humans can comprehend, which in turn would help expand human perception, thinking, and science and technology itself through quantum AI.

【2】量子・AI両者の強みを活かしてイノベーションの連鎖を生む [2] Harnessing the strengths of both quantum and AI to trigger a chain reaction of innovation

これまでの研究から、量子物性や量子科学技術分野で世界をリードする学術知見とノウハウが蓄積されています。培ってきた量子物理学実験における高度な計測技術と、機械学習における情報処理の2点がそれぞれの強みで補い合うことで、両分野の発展を加速させます。既にこれまでの研究成果で、ミクロ自由度がもたらす物理現象の複雑性を深層学習の手法を用いることで、情報資源として利用できるように変換できることが分かってきています。研究をさらに推進し、常識にとらわれない挑戦とイノベーションの連鎖を引き起こします。

Through our research to date, we have accumulated world-leading academic knowledge and expertise in the fields of quantum properties and quantum science and technology. We will accelerate the further progress of both areas by supplementing the respective strengths of our two research fields: advanced measurement technology in quantum physics experiments and information processing in machine learning. Our existing studies have demonstrated that the complexity of physical phenomena arising from microscopic degrees of freedom can be converted into usable information resources using the deep learning methods. We will further pursue our research to trigger a chain reaction of unconventional challenges and innovations.

価値・期待

Values / Hopes

量子を利用した新しい技術開発で科学を変える Changing science through the development of new quantum-based technologies

量子の世界と私たちの現実世界の間をつなげるルートを、AIを用いて発見することで、科学全体が変わり、量子を利用した新しい技術開発が可能になると期待されます。例えば、物質の同一性を究極的に決める手法が開発できれば、製品などあらゆるものを識別する“量子物理タグ”として実社会への応用も可能です。そして、量子物理と人工知能の融合に対する期待として、量子の複雑性・非線型性を積極的に人工知能に取り入れた量子人工知能分野が開拓されたり、一方でAIを活用することで量子が持つゆらぎを高度に制御することで新たな量子コンピューティング技術が開発できたりと、両分野にイノベーションが引き起こされると予想されます。

Discovering a route between the quantum world and our real world through AI would transform science, allowing for the development of new quantum-based technologies. For example, if we can develop a method to ultimately determine the identity of substance, it could be applied to the real world as a “quantum physics tag” to identify products and many other things. In the future, the combination of quantum physics and AI will be likely to make innovation happen in multiple areas: the exploration of the field of quantum AI, in which the complexity and non-linearity of quantum are actively incorporated into AI; and the development of new quantum computing technology, in which the fluctuations of quantum are controlled to a high degree through the use of AI.