Organization
School of Computing Assistant Professor
Title
Assistant Professor
External link
arai shunta
News & Topics
-
Optimizing Continuous-Variable Functions with Quantum Annealing
2023/10/04
Languages： English
Quantum annealing (QA) can be competitive to classical algorithms in optimizing continuous-variable functions when running on appropriate hardware, show researchers from Tokyo Tech. By comparing
-
量子アニーリングの有効領域拡大の可能性を開く 連続変数の最適化で有効性を実証
2023/10/04
Languages： Japanese
要点-量子アニーリングの適用対象として未開拓だった連続変数関数の最適化で、その高度な有効性を実証。-連続変数を量子アニーリングに適した形で表し、古典コンピュータ上でシミュレート。-ノイズを抑えたハードウェアの実現により、広範な課題の解決の可能性が開かれる。
Research Areas
-
Informatics / Soft computing
-
Natural Science / Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics
Education
-
東北大学大学院 情報科学研究科 応用情報科学専攻
2018.10 - 2021.9
-
東北大学大学院 情報科学研究科 応用情報科学専攻
2017.4 - 2018.9
-
Tohoku University
2013.4 - 2017.3
Country： Japan
Research History
-
Institute of Science Tokyo Department of Mathematical and Computer Science, School of Computing Assistant Professor
2024.10
-
東京工業大学 情報理工学院 数理・計算科学系 高邉研究室 助教
2024.4 - 2024.10
-
東京工業大学 国際先駆研究機構 量子コンピューティング研究拠点 助教
2022.4 - 2024.3
-
東北大学大学院 情報科学研究科応用情報科学専攻 情報基礎科学専攻 大関研究室 特任助教 (研究)
2021.10 - 2022.3
-
Sigma-i Researcher
2020.5 - 2022.3
-
日本学術振興会特別研究員 DC1)
2019.4 - 2020.4
Professional Memberships
-
日本物理学会
Papers
-
Transfer learning for a deep-unfolded combinatorial optimization solver with quantum annealer Reviewed International journal
Ryo Hagiwara, Shunta Arai, Satoshi Takabe
Physical Review A abs/2501.03518 2025.7
-
Quantum annealing enhanced Markov-Chain Monte Carlo Reviewed International journal
Shunta Arai, Tadashi Kadowaki
Scientific Reports 15 ( 1 ) 2025.7
-
Deep unfolded local quantum annealing Reviewed International journal
Shunta Arai, Satoshi Takabe
Physical Review Research 2024.12
-
Effectiveness of quantum annealing for continuous-variable optimization Reviewed International journal
Shunta Arai, Hiroki Oshiyama, Hidetoshi Nishimori
Physical Review A 2023.10
-
Mean-Field Analysis of Sourlas Codes with Adiabatic Reverse Annealing International journal
Shunta Arai
Sublinear Computation Paradigm 319 - 334 2021.10
-
Dynamical Analysis of Quantum Annealing International coauthorship International journal
Anthony C. C. Coolen, Theodore Nikoletopoulos, Shunta Arai, Kazuyuki Tanaka
Sublinear Computation Paradigm 295 - 317 2021.10
-
Teacher-Student Learning for a Binary Perceptron with Quantum Fluctuations Reviewed
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Journal of the Physical Society of Japan 90 ( 7 ) 074002 - 074002 2021.7
-
Mean field analysis of reverse annealing for code-division multiple-access multiuser detection Reviewed International journal
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Physical Review Research 2021.7
-
Dynamics of order parameters of nonstoquastic Hamiltonians in the adaptive quantum Monte Carlo method. Reviewed International journal
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Physical review. E 99 ( 3-1 ) 032120 - 032120 2019.3
-
Deep Neural Network Detects Quantum Phase Transition Reviewed
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Journal of the Physical Society of Japan 87 ( 3 ) 033001 - 033001 2018.3
Books
-
量子コンピュータによる機械学習
Schuld, Maria, Petruccione, F. (Francesco), 荒井, 俊太, 篠島, 匠人, 高橋, 茶子, 御手洗, 光祐, 山城, 悠, 大関, 真之
共立出版 2020.8 （ ISBN:9784320124622 ）
MISC
-
Applications and Future Perspectives of Quantum Annealing Invited
大関真之, 荒井俊太, 観山正道
電子情報通信学会誌 106 ( 1 ) 52 - 57 2023.1
-
Comparison of quantum and classical optimization algorithms for continuous variable optimization
日本物理学会講演概要集(CD-ROM) 78 ( 2 ) 2023
-
Recent advances of quantum annealing and its typical performance analysis
荒井俊太
システム制御情報学会研究発表講演会講演論文集(CD-ROM) 66th 2022
-
Probabilistic information processing with quantum fluctuations
荒井俊太
電子情報通信学会大会講演論文集(CD-ROM) 2020 2020
-
Learning of Ising perceptron with quantum fluctuations
日本物理学会講演概要集(CD-ROM) 75 ( 2 ) 2020
-
Statistical mechanical analysis of CDMA multiuser detection with reverse annealing
荒井俊太, 大関真之, 田中和之
日本物理学会講演概要集(CD-ROM) 75 ( 1 ) 2020
-
マスター方程式を用いた非擬似古典確率的なハミルトニアンの秩序変数のダイナミクス
荒井俊太, 大関真之, 田中和之
日本物理学会講演概要集(CD-ROM) 74 ( 1 ) 2019
-
D-Waveマシン上における量子相転移の解析
荒井俊太, 大関真之, 田中和之
日本物理学会講演概要集(CD-ROM) 73 ( 2 ) 2018
-
ニューラルネットワークによる様々な相転移の検出
荒井俊太, 大関真之, 片岡駿, 田中和之
日本物理学会講演概要集(CD-ROM) 72 ( 2 ) 2017
Presentations
-
Learning-based quantum optimization algorithms for quadratic unconstrained binary optimization problems, International conference
Shunta Arai, Ryo Hagiwara, Satoshi Takabe
INQA 2024 - International Network on Quantum Annealing Conference 2024.10
-
ニューラルネットワークによる様々な相転移の検出
荒井 俊太, 大関 真之, 片岡 駿, 田中 和之
第20回情報論的学習理論ワークショップ(IBIS2017) 2017.11
-
ニューラルネットワークによる様々な相転移の検出
荒井 俊太, 大関 真之, 片岡 駿, 田中 和之
日本物理学会秋季大会 2017.9
-
Detection of phase transition in transverse-field Ising model by neural network,
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Shun Kataoka, Kazuyuki Tanaka
Adiabatic Quantum Computing Conference (2017) 2017.6
-
Adaptive quantum Monte Carlo method for a class of non-stoquastic Hamiltonian by using D-Wave machine
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Qubits 2018 2018.9
-
Deep Neural Network detects quantum phase transition in D-Wave 2000Q
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Adiabatic Quantum Computing Conference (2018) 2018.6
-
Acceleration of adaptive quantum Monte Carlo Sampling for a class of non-stoquastic Hamiltonian by using D-Wave 2000Q
Shunta Arai, Shuntaro Okada, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Adiabatic Quantum Computing Conference (2018) 2018.6
-
ニューラルネットワークによる量子相転移の検出
荒井俊太, 大関 真之, 田中 和之
CREST研究集会 2018.3
-
Detection of quantum phase transition in D-Wave 2000Q by deep neural network
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Quantum Machine Learning & Biomimetic Quantum Technologies 2018.3
-
ニューラルネットワークによる様々な相転移の検出
荒井 俊太, 大関 真之, 片岡 駿, 田中 和之
情報系 Winter Festa Episode 3 2017.12
-
Statistical mechanical analysis of reverse annealing for code-division multiple-access multiuser demodulator Invited
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kayuki Tanaka
Statistical Physics of Disordered Systems and Its Applications (SPDSA2019) --- Statistical-Mechanical Informatics and Statistical Machine Learning Theory in Big Data Sciences 2019.10
-
Mean-field analysis of quantum error-correcting codes with non-stoquastic Hamiltonian
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kazuyuki Tanaka
Adiabatic Quantum Computing Conference (2019) 2019.6
-
マスター方程式を用いた非擬似古典確率的なハミルトニアンの秩序変数のダイナミクス
荒井 俊太, 大関 真之, 田中 和之
日本物理学会 2019.3
-
Dynamics of order parameters of non-stoquastic Hamiltonian in adaptive quantum Monte Carlo method Invited
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kayuki Tanaka
Statistical Physics of Disordered Systems and Its Applications (SPDSA2018) --- Statistical-Mechanical Informatics and Statistical Machine Learning Theory in Big Data Sciences 2018.11
-
D-Waveマシンにおける量子相転移の解析
荒井 俊太, 大関 真之, 田中 和之
日本物理学会 2018.9
-
量子アニーリングの進展と典型性能解析 Invited
荒井 俊太
第66回システム制御学会 研究発表講演会 2022.5
-
Adiabatic reverse annealing does not overcome the hard phase in CDMA multiuser detection
Shunta Arai, Masayuki Ohzeki, Kayuki Tanaka
Adiabatic Quantum Computing Conference 2021 2021.6
-
量子揺らぎによるイジングパーセプトロンの学習
荒井 俊太, 大関 真之, 田中 和之
日本物理学会 2020.9
-
量子揺らぎによる確率的情報処理 Invited
荒井 俊太, 大関 真之, 田中 和之
電子情報通信学会総合大会 2020.3
-
リバースアニーリングによるCDMAマルチユーザ検出の統計力学的解析
荒井 俊太, 大関 真之, 田中 和之
日本物理学会 2020.3
-
Continuous-variable Optimization by Quantum Annealing, Invited International conference
Shunta Arai, Hiroki Oshiyama, Hidetoshi Nishimori
East Asia Joint Seminars On Statistical Physics 2023 2023.10
-
連続変数最適化問題に対する量子・古典最適化アルゴリズムの比較
荒井 俊太, 押山 広樹, 西森 秀稔
日本物理学会 2023.9
-
Benchmark study of continuous function optimization by a quantum annealer, International conference
Shunta Arai, Hiroki Oshiyama, Hidetoshi Nishimori
28th International Conference on Statistical Physics, Statphys28 2023.8
-
Quantum annealing for continuous function optimization International conference
Shunta Arai, Hiroki Oshiyama, Hidetoshi Nishimori
Adiabatic Quantum Computing Conference 2023 2023.6
-
D-Waveマシンによる連続最適化
荒井俊太
量子アニーリング及び関連技術の基礎から社会実装まで 2023.2
-
量子揺らぎを用いたイジングパーセプトロンの教師-生徒学習 Invited
荒井俊太
量子コンピューティング研究拠点 発足記念講演会 2022.6
-
深層展開の新展開：量子/量子模擬アルゴリズムへの適用
高邉 賢史, 荒井 俊太, 萩原 涼
深層展開に基づく信号処理アルゴリズム構築論の深化と展開 2024.9
-
転移学習に基づく量子アニーラーを利用した深層展開型最適化ソルバーの提案
萩原 涼, 荒井 俊太, 高邉 賢史
電子情報通信学会 信号処理研究会 2024.8
-
量子アニーリングを用いたマルコフ連鎖モンテカルロ法の加速
荒井 俊太, 門脇 正史, 西森 秀稔
量子アニーリング及び関連技術の基礎から社会実装まで 2024.2
-
Deep Unfolded Quantum-Inspired Annealing International conference
Shunta Arai
INQA 2023 - International Network on Quantum Annealing Conference 2023.11
-
深層展開を用いた半古典化量子アニーリングの加速
荒井 俊太, 高邉 賢史
日本物理学会 2024.9
-
量子アニーラーを用いた深層展開型組合せ最適化ソルバーのための転移学習
萩原 涼, 荒井 俊太, 高邉 賢史
日本物理学会 2024.9
-
サンプリング過程の微分情報に基づくレプリカ交換法の温度セット最適化日本物理学会
宮田 竜弥, 荒井 俊太, 高邉 賢史
日本物理学会 2025.9
-
深層展開型組合せ最適化ソルバーの不等式制約への応用
萩原 涼, 荒井 俊太, 高邉 賢史
日本物理学会 2025.9
-
粒子型変分推論を用いたWang-Landau法による周辺尤度比の推定
依田 和城, 西川 宜彦, 荒井 俊太, 高邉 賢史
信号処理研究会 2025.6
-
Wang-Landau法を用いたグローバー適応探索の効率化
土橋 慶太, 荒井 俊太, 高邉 賢史
日本物理学会 2025.9
Awards
-
研究科長賞
2019.3 東北大学 大学院情報科学研究科
-
総長賞
2019.3 東北大学
Research Projects
-
データ駆動型量子インスパイアド最適化アルゴリズムの開発と応用
Grant number：25K21297 2025.4 - 2028.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究
荒井 俊太
Grant amount：\4420000 （ Direct Cost: \3400000 、 Indirect Cost：\1020000 ）
-
量子揺らぎを伴うサンプリングを駆使した革新的機械学習アルゴリズムの創出
Grant number：19J21790 2019.4 - 2022.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
荒井 俊太
Grant amount：\2500000 （ Direct Cost: \2500000 ）
年次計画に記した通り, 量子モンテカルロ法を用いて, 1 次元横磁場イジングモデルのスピン配位から横磁場を学習するニューラルネットワークを作成した. これにより量子アニーラーを用いてサンプリングしたスピン配位を入力にして, 量子アニーラー内のパラメータから横磁場を推定することができた. その横磁場推定器を利用して, 横磁場以外の量子揺らぎをシミュレートする手法である適応的量子モンテカルロ法を量子アニーラー上で動かすアルゴリズムを作成し実装した. また, 通常の古典コンピュータ上で反強磁性相互作用をシミュレートする方法と量子アニーラーを利用してサンプリングする手法との比較を行った. 推定の精度は古典コンピュータに比べ劣るが, サンプリングの速度は量子アニーラーの方が速かった. 横磁場以外の量子揺らぎの有用性を示すために, p体SKモデルに対して横磁場以外の量子揺らぎを導入した量子アニーリングの典型的な性能評価をレプリカ法を用いて行った. その結果, p>2でp体SKモデルが持つ1次相転移が2次相転移になることが分かった. 1次相転移は量子アニーリングにおけるボトルネックであり, 計算時間の指数関数的な増加をもたらす. p体SKモデルの持つ1次相転移は多体相互作用由来である. 磁場由来の1次相転移についても解析を行った. 扱った問題は無線通信技術で使われていた符号分割多重接続(CDMA)モデルである.この問題はユーザー数と観測数の比が過負荷の場合, 1次相転移を持つ. この問題に対して, 横磁場以外の量子揺らぎを導入した場合を解析したところ, この問題の持つ一次相転移は横磁場以外の量子揺らぎでは回避することができないことが分かった.
Teaching Experience
-
Exercises in Calculus Ⅱ
2026.10 - 2027.3 Institution：Ochanomizu University
-
Exercises in Calculus I
2026.4 - 2026.9 Institution：Ochanomizu University
-
Fundamentals of Probability.
2025.6 - 2025.8 Institution：Institute of Science Tokyo
-
Forum on Computing
2024.4 Institution：Institute of Science Tokyo