トカマク診断データ解析を改善する量子機械学習(Quantum Machine Learning Helps Improve Tokamak Diagnostic Data Analysis)

2026-07-20 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物質科学研究院の研究チームは、EASTトカマクの診断データ解析に量子機械学習を適用し、異常信号検出を高効率化する手法を開発した。核融合実験では膨大な診断データが生成されるが、ノイズや外乱の影響で異常検出が難しく、従来の深層学習は高精度である一方、多大な計算資源を必要とする。本研究では、複雑な動的システムを解析するクープマン作用素理論を用いて信号の重要特徴を抽出・低次元化し、その後、量子ニューラルネットワークで解析する手法を提案した。EASTの4,763件のラベル付き信号による評価では、異常検出精度は約97.0%と従来の深層学習(98.0%)に匹敵しながら、学習パラメータ数は約0.2%に削減された。また、量子測定誤差や信号外乱を想定した試験でも96.2%以上の精度を維持し、高い耐ノイズ性を確認した。さらに、量子計算を小規模プロセッサへ分散できるモジュール構成を採用しており、現行の量子コンピュータ環境でも核融合診断データ解析への実用化が期待される。

トカマク診断データ解析を改善する量子機械学習(Quantum Machine Learning Helps Improve Tokamak Diagnostic Data Analysis)
Schematic diagram of the algorithm: (a) Classical-quantum hybrid framework; (b) Koopman embedding module; (c) Parallel quantum neural network (PQNN). (Image by LAN Ting)

<関連情報>

核融合装置の診断ノイズ除去のためのクープマン・量子ハイブリッドパラダイムの検証 Validating a Koopman-quantum hybrid paradigm for diagnostic denoising of fusion devices

Tie-Jun Wang,Run-Qing Zhang,Ling Qian,Yun-Tao Song,Ting Lan,Hai-Qing Liu & Keren Li
Science China Physics, Mechanics & Astronomy  Published:19 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1007/s11433-026-2962-1

Abstract

Quantum machine learning in data-intensive science is limited by the difficulty of interfacing high-dimensional, chaotic classical data with resource-limited quantum processors. To address this issue, we study a physics-informed Koopman-quantum hybrid framework motivated by a representation-level correspondence between Koopman operator evolution and quantum evolution. On this basis, we build a compact hybrid pipeline in which Koopman analysis distills raw waveforms into low-dimensional residual statistics that are then processed by a modular parallel quantum neural network. We test the framework on 4763 labeled channel sequences from 433 tokamak discharges. The main PQNN benchmark uses classical preprocessing followed by noiseless circuit simulation and achieves about 97.0% accuracy in screening corrupted diagnostic data while using far fewer trainable parameters than a deep CNN baseline. Additionally, we complement this benchmark with two simplified, hardware-motivated noise sources: finite-shot/readout uncertainty and effective perturbations to PQNN expectation values. These checks indicate qualitative stability under moderate device-relevant perturbations, while also highlighting the remaining gap to platform-specific hardware validation.

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