Des flips multi-spins et une voie vers des machines Ising efficaces

Flips multi-spins et une voie vers des machines de ising efficaces

Des chercheurs de l’Université Waseda ont développé un algorithme pour des solutions plus efficaces à des problèmes d’optimisation difficiles. Crédit : Tatsuhiko Shirai et Nozomu Togawa, Université Waseda

Dans un monde en développement rapide, les industries essaient toujours d’optimiser leurs opérations et leurs ressources. L’optimisation combinatoire à l’aide d’une machine Ising aide à résoudre certains problèmes opérationnels, comme la cartographie de l’itinéraire le plus efficace pour un tour multi-villes ou l’optimisation de la livraison des ressources. Les machines d’Ising fonctionnent en mappant l’espace de solution à un espace de configuration de spin et en résolvant le problème de spin associé à la place. Ces machines ont un large éventail d’applications dans les universités et l’industrie, s’attaquant aux problèmes d’apprentissage automatique, de conception de matériaux, d’optimisation de portefeuille, de logistique et de découverte de médicaments. Pour des problèmes plus importants, cependant, il est encore difficile d’obtenir la solution optimale dans un laps de temps raisonnable.

Maintenant, alors que les machines Ising peuvent être optimisées en intégrant des flips multi-spins dans leur matériel, c’est une tâche difficile car cela signifie essentiellement une refonte complète du logiciel des machines Ising traditionnelles en changeant leur fonctionnement de base. Mais une équipe de chercheurs du Département d’informatique et de génie des communications de l’Université Waseda, composée du professeur adjoint Tatsuhiko Shirai et du professeur Nozomu Togawa, a fourni une nouvelle solution à ce problème de longue date.

Dans leur article publié en Transactions IEEE sur les ordinateurs le 27 mai 2022, ils ont conçu un algorithme de retournement multi-spin réalisable en déformant l’hamiltonien (qui est une fonction énergétique du modèle d’Ising). “Nous avons développé un algorithme hybride qui prend un retournement multi-spin infaisable et l’exprime sous la forme d’un retournement réalisable à un seul spin. Cet algorithme est proposé avec notre processus de fusion, dans lequel l’hamiltonien d’origine d’un problème combinatoire difficile est déformé en un nouvel hamiltonien, un problème que le matériel d’une machine Ising traditionnelle peut facilement résoudre », explique Tatsuhiko Shirai.

Flips multi-spins et une voie vers des machines de ising efficaces

Ce nouveau processus de fusion prend un retournement à deux spins irréalisable (a), déforme l’hamiltonien et fournit un retournement à un seul spin réalisable (b). Crédit : Tatsuhiko Shirai et Nozomu Togawa, Université Waseda

Les processus hybrides Ising nouvellement développés sont entièrement compatibles avec les méthodes et le matériel actuels, ce qui réduit les défis liés à leur application généralisée. “Nous avons appliqué le processus de fusion hybride à plusieurs exemples courants de problèmes d’optimisation combinatoire difficiles. Notre algorithme affiche des performances supérieures dans tous les cas. Il réduit l’énergie résiduelle et atteint des résultats plus optimaux en moins de temps. C’est vraiment un gagnant-gagnant”, déclare Nozomu. Togawa.

Leurs travaux permettront aux industries de résoudre de nouveaux problèmes d’optimisation complexes et contribueront à résoudre les problèmes liés au changement climatique tels que l’augmentation de la demande énergétique, les pénuries alimentaires et la réalisation des objectifs de développement durable (ODD). “Par exemple, nous pourrions utiliser cela pour optimiser les problèmes de planification d’expédition et de livraison dans les industries afin d’augmenter leur efficacité tout en réduisant les émissions de dioxyde de carbone”, ajoute Tatsuhiko Shirai.

Cette nouvelle technologie augmente directement le nombre d’applications où la machine Ising peut être utilisée de manière réaliste pour produire des solutions. En conséquence, la méthode de la machine d’Ising peut être de plus en plus utilisée dans l’apprentissage automatique et la science de l’optimisation. La technologie de l’équipe améliore non seulement les performances des machines Ising existantes, mais fournit également un modèle pour le développement de nouvelles architectures de machines Ising dans un avenir proche. Avec l’algorithme de fusion conduisant les machines Ising plus loin dans de nouveaux territoires inexplorés, l’avenir de l’optimisation, et donc des pratiques de durabilité, s’annonce prometteur.


Une nouvelle approche pour résoudre les problèmes d’optimisation à l’aide des machines Boltzmann


Plus d’information:
Tatsuhiko Shirai et al, Ingénierie multi-spin-flip dans une machine Ising, Transactions IEEE sur les ordinateurs (2022). DOI : 10.1109/TC.2022.3178325

Fourni par l’Université Waseda

Citation: Multi-spin flips and a pathway to efficient Ising machines (2022, 31 mai) récupéré le 31 mai 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-05-multi-spin-flips-pathway-efficient-ising.html

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