土木・建設現場における量子コンピュータの適用例等
- ビッグデータ
- イノベーション
- 業務効率化
- 建設／不動産
- 開催日
- 主催
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株式会社奥村組
- 講演
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・量子コンピュータの概要とCTCの取り組み例・実オペレーション・ビジネスでの組み込みを見据えた、
量子技術を活用したプロジェクトの実行・量子CAEの取り組み最前線 - 開催場所
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奥村組クロスイノベーションセンター（東京・千代田区）
現在のコンピュータでは時間のかかる複雑で膨大な計算処理を高速化でき、様々な分野で実用化が期待される量子コンピューティング。この度、株式会社奥村組が産官学民で交流・連携を行う拠点として開設したばかりの「クロスイノベーションセンター※」において、建築・土木における量子コンピューティングの可能性をテーマに講演会が開催されました。CTCおよび弊社のパートナーである株式会社Jijと株式会社QunaSysが、量子コンピュータの基本的な仕組みや適用事例・ユースケースについて、実ビジネスへの応用を見据えた解説を行いました。
CTCでは今後、量子コンピューティング技術を様々な業界の諸課題に適用できるよう、取り組みを進めて参ります。このため、量子コンピューティングに係る市場・技術動向を把握し、近い将来に実現できること、少し時間を要して実現できることなどの見極めを行い、最も適切かつ効果的なタイミングでお客様に提供できるよう努めてまいります。
量子コンピュータの概要とCTCの取り組み例
伊藤忠テクノソリューションズ株式会社
エンタープライズ事業グループ 科学システム本部 科学エンジニアリング第2部
数値解析技術第2課 シニアスペシャリスト 羽間 収
ITサービス事業グループ ハイブリッドクラウド営業本部 サービススプリント部
DXスプリント課 リードスペシャリスト 松本 直樹
量子とは電子や原子など我々が認識しないミクロの世界を扱うもので、この目に見えない量子力学の特性を応用した計算機が量子コンピュータです。現在の計算機は、トランジスタに電圧をかけてオンにするかオフにするか、つまり0か1というマクロの世界です。一方で量子コンピュータは、0でもなく1でもない状態を持つことができます。ミクロ世界の量子は相反する状態の同時存在が許されることから、量子コンピュータではこれまでとは全く違うレベルの高速計算が可能になります。
量子コンピュータには2つの方式があります。現在の計算機の上位互換にあたるのが「ゲート方式」で、あらゆる計算が可能な汎用性があり、量子特性を活かした超高速計算ができる万能型の量子コンピュータです。超電導やイオントラップ、光量子などの手法についての研究開発が世界中で行われている状況です。「アニーリング方式」は、組み合せ最適化問題に特化した量子コンピュータです。実機として先行しているのは、このアニーリング方式です。CTCでは昨年、アニーリング方式の量子コンピュータを用いて、風車配置の最適化を計算する実証実験を行いました。12km四方のエリアに100個の風車をどのように配置すれば最大の発電量が得られるのか。風車を風に向かって並べると、後ろの風車が前の風車の影響を受けて十分な発電量を出せない場合があります。こうした課題を踏まえたシミュレーションを行った結果、最終的に発電量を最大化する地点が得られ、風車配置の最適化における量子コンピューティングの実用性を確認することができました。
今年6月には量子コンピューティング活用支援サービス「CUVIC for Quantum」をリリースしました。数年先の量子技術の実用化・産業化に向けた支援を行うサービスです。このサービスは4つのサービスメニューで構成されます。量子コンピュータの実機を利用するためのライセンス提供、量子活用アセスメント・アルゴリズム検証サービス、量子トレーニングサービス、量子プラットフォーム／マネージドサービスです。
中核となる量子活用アセスメント・アルゴリズム検証サービスは、活用領域探索から検証と評価までが提供範囲となっています。どの領域で量子コンピュータを使えば有益な活動ができるか悩んでいるお客様はまだまだ多い。まずは量子コンピュータが使える領域を一緒に考え、活用できる領域が1つでも見つかれば、実際にPoCを実施する検証と評価に進みます。お客様の課題に適した量子エキスパートパートナーと弊社のチームでプロジェクトを推進します。
実オペレーション・ビジネスでの組み込みを見据えた、量子技術を活用したプロジェクトの実行
株式会社Jij取締役COO 中田 宙志氏
Jijは数理最適化をビジネスに活かすためのソフトウェア製品の提供とプロジェクト支援を行っています。数理最適化は、建設業をはじめとしたあらゆる産業で既に活用されている技術であり、与えられた制約条件のもとで目的関数を最小化もしくは最大化することを目指す技術です。ある目的のために収集したビッグデータを使って機械学習で予測を立て、その目的を達成するための具体的な計画にまで落とし込む一連のプロセスです。数理最適化の計算では組み合わせの数が指数的に増大するため、そうした課題を解決する適切なアルゴリズムや新たな計算手法が開発されています。
建設業界のいくつかの事業領域において、数理最適化が適用できると考えています。まず設計では、建築構造設計、いわゆるBIM/CIMでの活用です。建設現場内においては、従業員や作業員のシフト最適化、各工程のスケジュール最適化、物資の配置計画、仮説エレベータの利用最適化、建築工事編成最適化システムの構築などが挙げられます。運搬では、例えばダンプトラックの運搬計画。土砂の運搬の際に1日の生産量を改善して経費を下げるような取り組みです。
工場においては、工場内での物資配置計画や生産ライン計画への適用。点検では、橋梁の最適維持管理計画での活用が考えられます。老朽化している橋梁のデータを取得して、どのように老朽化が進むと措置が必要になるのかといった提案につなげます。防災では、災害が発生した時にどの避難ルートを通ればいいのかといった避難計画を含めた安全性評価の検証が事例として挙がっています。交通の最適化や都市計画の最適化に向けた活用も想定されます。弊社ではマイクロソフトおよび豊田通商と共同で、信号機制御による渋滞緩和プロジェクトを実施しました。量子技術を使って車の待機列を20%ほど削減できました。最終的に経済的インパクトを出すことが数理最適化プロジェクトの魅力です。
量子CAEの取り組み最前線
株式会社QunaSys リサーチ事業部 事業開発担当 渡辺 海氏
QunaSysが専門とするゲート方式の量子コンピュータは、現在のところ産業応用分野での用途は限られますが、将来的には実用化が進み、顕著な成果を生み出すことが期待されています。建設業界に関連するCAEの分野での期待も大きく、流体計算、構造計算、電磁界計算の中で最も重たい計算とされる線型方程式の解法に量子アルゴリズムを用いることで、指数的な量子加速が期待されています。従来のコンピュータでは計算量が発散する問題をも、量子コンピュータならはるかに効率的な時間で解くことができます。スーパーコンピュータの「富岳」で2週間かかる計算は、量子コンピュータ内の情報のやり取りが富岳と同程度のスピードでできると仮定した場合、15分くらいで終わるというイメージです。
海外では、既にいくつかの企業・組織が、量子技術を使って大規模計算に取り組んでいます。ロールスロイス、NVIDIA、イスラエルのベンチャー企業であるClassiqは、GPU上で量子アルゴリズムを用いてエンジンの機構設計のための数値流体計算を行っています。フランスのエネルギー関連企業のEDFとスペインのベンチャー企業のQuandelaは、ダム向け構造計算などに向けた検討において量子コンピュータを使用しています。イギリスのブリストル大学では、現行の量子コンピュータであるNISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）と違い計算上のエラーが生じないFTQC（Fault Tolerant Quantum Computer）と呼ばれる将来的な量子コンピュータで計算した場合に、熱拡散方程式などの解法はどう変わるのかといった研究が行われています。弊社においても固有振動数解析向けのFTQCアルゴリズムについて検証を行っています。このような量子アルゴリズムの応用についてはまだ発展途上ですが、着実に研究と検証が進められています。
最近のCAEにおける量子コンピューティングの研究では、まだまだ未成熟なNISQ向けのNear-termアルゴリズムが提案されています。ただ、ノイズの影響などで計算を間違うことがあるので、精度については課題があります。また、NISQでは誤差を減らすために計算を繰り返し、統計を取ってノイズを落とすことで量子加速がなくなってしまうことがあります。一方、FTQC向けのLong-termアルゴリズムでは、エラーの生じない量子コンピュータの実現によって指数的にかなり速く計算が行える可能性があります。しかし、入出力のコストで指数加速の効果が相殺されてしまう課題も認識されており、さらなる検討の余地があります。この点について弊社の行った固有振動数解析への応用研究では、量子位相推定を用いることなどにより入出力の問題を回避することができ、シンプルなモデルにおいては量子加速が実証できるという検証結果も出ています。
