京都大学大学院工学研究科の野田進 教授、井上卓也 同助教、慶應義塾大学理工学部の田中宗 准教授、慶應義塾大学大学院理工学研究科の関優也 特任講師、早稲田大学理工学術院の戸川望 教授らの共同研究グループは、高出力かつ高ビーム品質で動作可能という特長を有する次世代半導体レーザー「フォトニック結晶レーザー」の設計において、量子アニーリングによる組合せ最適化手法を適用することにより、従来設計と比較して、レーザーの性能を飛躍的に向上可能な新設計を見出すことに成功しました。本成果は、これまで限られた問題への適用が中心的であった量子計算技術が、製造分野における、製品設計や生産工程の最適化問題に対しても広く適用出来る可能性を示唆するものであり、スマート製造分野の発展に向けた重要な一歩であるといえます。
現在、ものづくりの分野においては、生産性の向上と大幅なコスト削減を目指して、AIやロボットの活用により、製品設計から製造プロセスに至る全ての工程を自動化・最適化する「スマート製造」の実現に向けた取り組みが盛んに行われています。しかしながら、製造分野の最適化問題においては、考慮すべき物理的な設計変数が非常に多いため、現実的な時間内に全てのパラメータを最適化することは、一般的には困難です。このような多くの設計変数をもつ最適化問題の解決に適した手法として、量子アニーリングが近年注目を集めており、配送ルートや人員シフトの最適化等の一部の問題に対しては、既にその有用性が実証されつつあります。しかしながら、製品設計や製造プロセスの最適化等、複雑な物理現象を伴う問題に対しては、量子アニーリングの適用例は少なく、スマート製造分野への適用可能性については、明らかではありませんでした。
今回、研究グループは、製造分野への量子計算の適用可能性を検証するための例題として、将来のスマート加工用レーザー光源としての普及が期待される「フォトニック結晶レーザー」の設計問題に、量子アニーリングによる構造最適化の手法を適用しました。その結果、フォトニック結晶レーザーが有する多様な設計自由度を活用することにより、レーザーの性能を表す重要な指標である「光出力」「ビーム拡がり角」「直線偏光比」の3つ全てを向上可能な新たな設計を見出すことに成功しました。本成果は、製造分野への量子計算技術の適用可能性を示唆する重要な一歩であるといえます。