「光が得意な問題」を解く新たな計算モデルを提案―大規模組合せ最適化の効率化に向けた新手法―

2026-08-06 大阪大学

大阪大学大学院情報科学研究科の研究グループは、空間光イジングマシンを用いた大規模組合せ最適化問題のための新たな計算モデルを提案した。組合せ最適化は、物流、交通、通信、エネルギー管理など幅広い分野で重要な課題であるが、問題規模の増大に伴い計算コストが急激に増加する。空間光イジングマシンは、光の並列性や干渉特性を利用して高速に最適解を探索する光コンピューティング技術であるが、従来は多重化など複雑な光学系が必要で、大規模問題への適用が課題となっていた。本研究では、光が本来得意とする計算構造を活用する新しい計算モデルを構築することで、複雑な実装を必要とせず、大規模な実問題へ直接かつ効率的に適用できる可能性を示した。本成果は、光コンピューティングの実用化を前進させるとともに、物流・交通・電力システムなど社会インフラの最適化や、省エネルギー化、カーボンニュートラル実現に貢献することが期待される。

「光が得意な問題」を解く新たな計算モデルを提案―大規模組合せ最適化の効率化に向けた新手法―

<関連情報>

密な相互作用を伴う大規模二次無制約二値最適化の畳み込み定式化 Convolutional formulation of large-scale quadratic unconstrained binary optimization with dense interactions

Hiroshi Yamashita & Hideyuki Suzuki
Communications Physics  Published:29 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-026-02747-9

Abstract

The spatial photonic Ising machine (SPIM) is a promising optical hardware solver for large-scale combinatorial optimization problems with dense interactions. As the SPIM can represent Ising problems with rank-one coupling matrices, multiplexed versions have been proposed to enhance applicability to higher-rank interactions. However, the multiplexing cost reduces implementation efficiency, and even without multiplexing, the SPIM can represent coupling matrices beyond rank-one. To clarify the intrinsic representation power of the SPIM, we propose spatial quadratic unconstrained binary optimization (spQUBO), a formulation of Ising problems with spatially convolutional structures. We prove that any spQUBO reduces to a two-dimensional spQUBO with the convolutional structure preserved, which can be efficiently implemented on the SPIM without multiplexing. We demonstrate its applicability to distance-based combinatorial optimization, including placement problems and clustering problems. These results advance our understanding of the class of optimization problems where SPIMs exhibit unique advantage in efficiency and scalability. Furthermore, the convolutional structure of spQUBO also enables efficient computation using Fast Fourier Transforms.

1602ソフトウェア工学
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