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JP7829925B2 - Calculation method, calculation system, and program - Google Patents
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JP7829925B2 - Calculation method, calculation system, and program - Google Patents

Calculation method, calculation system, and program

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JP7829925B2 JP2022125720A JP2022125720A JP7829925B2 JP 7829925 B2 JP7829925 B2 JP 7829925B2 JP 2022125720 A JP2022125720 A JP 2022125720A JP 2022125720 A JP2022125720 A JP 2022125720A JP 7829925 B2 JP7829925 B2 JP 7829925B2
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Description

特許法第30条第2項適用 令和4年1月17日 電子情報通信学会技術研究報告 Vol.121,No.342 https://ken.ieice.org/ken/index/ieice-techrep-121-342.htmlで公開Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act January 17, 2020 IEICE Technical Research Report Vol. 121, No. 342 https://ken. ieice. org/ken/index/ieice-techrep-121-342. Publish as html

特許法第30条第2項適用 令和4年1月24日 オンラインミーティングURL https://us02web.zoom.us/j/82741085453?pwd=TGhRUjMwNjQrSlpGTzVnbFVGRWZlZz09で開催されたシステムとLSIの設計技術研究会(開催期間:令和4年1月24日~令和4年1月25日)で公開Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law. January 24, 2022. Online meeting URL: https://us02web.zoom.us/j/82741085453?pwd=TGhRUjMwNjQrSlpGTzVnbFVGRWZlZz09. Disclosed at the System and LSI Design Technology Research Meeting (held from January 24th to January 25th, 2022).

特許法第30条第2項適用 令和4年3月1日 日本物理学会第77回年次大会(2022年)講演概要集 https://jps2022s.gakkai-web.net/data/pdf/17aB19-05.pdfで公開Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act March 1, 2020 Collection of lecture summaries for the 77th Annual Conference of the Physical Society of Japan (2022) https://jps2022s. gakkai-web. net/data/pdf/17aB19-05. Published as pdf

特許法第30条第2項適用 令和4年3月17日 オンラインミーティングURL https://gakkai-web.net/p/jps/jps_t/mod2.phpで開催された日本物理学会第77回年次大会(2022年)(開催期間:令和4年3月15日~令和4年3月19日)で公開Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law. March 17, 2022. Online meeting URL: https://gakkai-web.net/p/jps/jps_t/mod2.php. This URL was made public at the 77th Annual Meeting of the Physical Society of Japan (2022) held on March 15, 2022 to March 19, 2022.

特許法第30条第2項適用 令和4年5月27日 IEEE Transactions on Computers(Early Access) https://ieeexplore.ieee.org/document/9783142で公開Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies May 27, 2020 IEEE Transactions on Computers (Early Access) https://ieeexplore. ieee. Published at org/document/9783142

特許法第30条第2項適用 令和4年5月30日 早稲田大学オフィシャルサイトのトピック https://www.waseda.jp/top/news/80999で公開Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law. Published on May 30, 2022, on the Waseda University official website at https://www.waseda.jp/top/news/80999.

特許法第30条第2項適用 令和4年6月22日 オンラインミーティングURL https://zoom.us/meeting/register/tJwpde2ppzIsG9ZnYSTXY-qjxivvQbGMkVk2で開催されたICTP Conference on Adiabatic Quantum Computation/Quantum Annealing(hosting AQC2022)(開催期間:令和4年6月20日~令和4年6月24日)で公開Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law. June 22, 2022. Online meeting URL: https://zoom.us/meeting/register/tJwpde2ppzIsG9ZnYSTXY-qjxivvQbGMkVk2. Publicly available at the ICTP Conference on Adiabatic Quantum Computation/Quantum Annealing (hosting AQC2022) (held from June 20, 2022 to June 24, 2022).

本発明は、イジングモデルを解くための計算方法、計算システム、及びプログラムに関する。 This invention relates to a computational method, computational system, and program for solving the Ising model.

イジングマシンは、組合せ最適化問題を効率的に解法する可能性を持つハードウェアとして注目されている。組合せ最適化問題とは、複数の制約条件のもとで目的関数を最小化又は最大化する変数の組合せを求める問題である。イジングマシンを使用する際、組合せ最適化問題はイジング問題に変換される。イジング問題は、イジングモデルと呼ばれるフォーマットを用いており、イジングモデルは、+1又は-1の値を持つ複数のスピン変数で与えられる。イジング問題は、イジングモデルのハミルトニアン(エネルギー関数)の基底エネルギーを与えるスピン配置を求める問題である。これまでに、様々な組合せ最適化問題をイジング問題に変換するための方法が提案されてきた(例えば、特許文献1参照)。 Ising machines are attracting attention as hardware with the potential to efficiently solve combinatorial optimization problems. A combinatorial optimization problem is the problem of finding the combination of variables that minimizes or maximizes an objective function under multiple constraints. When using an Ising machine, a combinatorial optimization problem is transformed into an Ising problem. The Ising problem uses a format called the Ising model, which is given by multiple spin variables with values of +1 or -1. The Ising problem is the problem of finding the spin configuration that gives the ground state energy of the Hamiltonian (energy function) of the Ising model. Various methods for transforming combinatorial optimization problems into Ising problems have been proposed to date (see, for example, Patent Document 1).

制約付きの組合せ最適化問題をイジング問題として定式化するときのハミルトニアンHは、H=Hobj+Hcで与えられる。ここで、Hobj及びHcは、それぞれ、目的関数及び制約項である。制約を満たすときHc=0となり、満たさないときHc>0となる。制約を満たす解を実行可能解と呼び、基底エネルギーを与える解を基底解と呼ぶ。多くのイジングマシンのハードウェアは、基底解を探索する際、シングルスピンフリップのシミュレーテッドアニーリング(SA)を動作原理とする。ここで、スピンフリップとは、スピン変数の値を+1と-1との間で変換することである。 When a constrained combinatorial optimization problem is formulated as an Ising problem, the Hamiltonian H is given by H = H obj + H c , where H obj and H c are the objective function and constraint term, respectively. H c = 0 when the constraints are satisfied, and H c > 0 when they are not satisfied. A solution that satisfies the constraints is called a feasible solution, and a solution that gives the ground energy is called a basis solution. The hardware of many Ising machines operates on the principle of single-spin-flip simulated annealing (SA) when searching for a basis solution. Here, a spin flip is the conversion of the spin variable value between +1 and -1.

例えば、ハミルトニアンHが式(1)で与えられる2つのスピン変数(σ、σ)からなるイジングモデルを考える。
For example, consider an Ising model consisting of two spin variables ( σ₁ , σ₂ ) whose Hamiltonian H is given by equation (1).

図1に示すように、実行可能解は非実行可能解よりエネルギーが低く、(σ、σ)が(+1、-1)及び(-1、+1)のとき実行可能解となり、(-1、-1)及び(+1、+1)のとき非実行可能解となる。実行可能解のうち基底エネルギーを与える(-1、+1)が基底解であり、(+1、-1)は局所解である。局所解とは、どのスピン変数をフリップしてもエネルギーが高くなる解である。局所解(+1、-1)のいずれか一方のスピン変数をフリップすれば非実行可能解となり、非実行可能解(-1、-1)のσをフリップするか、(+1、+1)のσをフリップすれば基底解となる。 As shown in Figure 1, feasible solutions have lower energy than non-feasible solutions. Feasible solutions occur when ( σ₁ , σ₂ ) are (+1, -1) and (-1, +1), and non-feasible solutions occur when (-1, -1) and (+1, +1). Among the feasible solutions, (-1, +1), which gives the ground energy, is the ground solution, and (+1, -1) is a local solution. A local solution is a solution in which the energy increases when any spin variable is flipped. Flipping either spin variable of the local solution (+1, -1) results in a non-feasible solution, and flipping σ₂ of the non-feasible solution (-1, -1) or flipping σ₁ of (+1, +1) results in a ground solution.

ここで、SAでは、エネルギーが低くなる状態変化(非実行可能解から実行可能解への遷移)は必ず受理する一方、エネルギーが高くなる状態変化(局所解から非実行可能解への遷移)は確率的に受理する。この受理確率は温度に依存しており、高温では高く、低温では低くなる。よって、局所解の状態にあるとき、低温ではエネルギーの高い解への遷移は起こりにくいため、局所解にトラップされ、基底解を探索することができない。これにより、イジングマシンの性能の劣化を招くこととなる。 In this system, a state change that results in lower energy (transition from a non-feasible solution to a feasible solution) is always accepted, while a state change that results in higher energy (transition from a local minimum to a non-feasible solution) is accepted probabilistically. This acceptance probability depends on temperature, being higher at high temperatures and lower at low temperatures. Therefore, when in a local minimum state, transitions to higher-energy solutions are less likely at low temperatures, leading to trapping in the local minimum and preventing the search for a ground solution. This results in a degradation of the Ising machine's performance.

局所解から脱出して実行可能解の間を遷移させるために、図2に示すように、複数のスピン変数を同時にフリップするマルチスピンフリップ手法がある。これに関し、非特許文献1では、非実行可能解を経由せずに基底解に遷移するマルチスピンフリップの有効性が議論されており、SAの性能が改善すると報告がなされている。 To escape from local minima and transition between feasible solutions, there is a multi-spin flip technique that simultaneously flips multiple spin variables, as shown in Figure 2. In this regard, Non-Patent Literature 1 discusses the effectiveness of multi-spin flips that transition to the ground solution without passing through non-feasible solutions, and reports that this improves the performance of SA (Simulation Analysis).

特開2020-64536号公報Japanese Patent Publication No. 2020-64536

Mohammad Bagherbeik, Parastoo Ashtari, Seyed Farzad Mousavi, Kouichi Kanda, Hirotaka Tamura, Ali Sheikholeslami, "A Permutational Boltzmann Machine with Parallel Tempering for Solving Combinatorial Optimization Problems", in International Conference on Parallel Problem Solving from Nature, 2020, pp. 317-331.Mohammad Bagherbeik, Parastoo Ashtari, Seyed Farzad Mousavi, Kouichi Kanda, Hirotaka Tamura, Ali Sheikholeslami, "A Permutational Boltzmann Machine with Parallel Tempering for Solving Combinatorial Optimization Problems", in International Conference on Parallel Problem Solving from Nature, 2020, pp. 317-331.

しかしながら、既存のイジングマシンはシングルスピンフリップを動作原理としているため、イジングマシンにマルチスピンフリップを実装することは、その動作原理を改変する必要があり、非常に困難である。 However, since existing Ising machines operate on a single-spin flip principle, implementing multi-spin flips in an Ising machine would require modifying its operating principle, which is extremely difficult.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、イジングマシンにマルチスピンフリップを実装可能とする計算方法、計算システム、及びプログラムを提供することを目的とする。 This invention has been made in view of the above-mentioned problems, and aims to provide a calculation method, a calculation system, and a program that enable the implementation of multi-spin flips in an Ising machine.

本発明に係る計算方法は、イジングモデルを解くための計算方法であって、古典コンピュータにより、(a)制約付きの組合せ最適化問題から所定の複数のスピン変数を有するイジングモデルのハミルトニアンを計算し、(b)複数のスピン変数の中から第1スピン変数をランダムに選択し、複数のスピン変数の中から第1スピン変数以外の所定の割合のスピン変数を第2スピン変数として設定し、イジングモデルの暫定解に基づいて第2スピン変数を第1スピン変数にマージしてハミルトニアンから第2スピン変数を消去することによって、変形されたハミルトニアンを計算し、イジングマシンにより、(c)変形されたハミルトニアンに対する解を求め、古典コンピュータにより、(d)イジングマシンで得られた解から第2スピン変数の値を計算することによってイジングモデルの解を求める。 The calculation method according to the present invention is a calculation method for solving the Ising model, and involves: (a) calculating the Hamiltonian of an Ising model having a predetermined number of spin variables from a constrained combinatorial optimization problem using a classical computer; (b) randomly selecting a first spin variable from the number of spin variables, setting a predetermined proportion of spin variables other than the first spin variable as the second spin variable, merging the second spin variable with the first spin variable based on a provisional solution of the Ising model to eliminate the second spin variable from the Hamiltonian, thereby calculating a deformed Hamiltonian; (c) obtaining a solution for the deformed Hamiltonian using an Ising machine; and (d) obtaining the solution to the Ising model by calculating the value of the second spin variable from the solution obtained by the Ising machine using a classical computer.

本発明に係る計算システムは、イジングモデルを解くための計算システムであって、制約付きの組合せ最適化問題から所定の複数のスピン変数を有するイジングモデルのハミルトニアンを計算し、複数のスピン変数の中から第1スピン変数をランダムに選択し、複数のスピン変数の中から第1スピン変数以外の所定の割合のスピン変数を第2スピン変数として設定し、イジングモデルの暫定解に基づいて第2スピン変数を第1スピン変数にマージしてハミルトニアンから第2スピン変数を消去することによって、変形されたハミルトニアンを計算するプロセッサを有する古典コンピュータと、変形されたハミルトニアンに対する解を求めるイジングマシンと、を備える。プロセッサは、イジングマシンで得られた解から第2スピン変数の値を計算することによってイジングモデルの解を求める。 The computational system according to the present invention is a computational system for solving the Ising model, comprising: a classical computer having a processor that calculates the Hamiltonian of an Ising model having a predetermined number of spin variables from a constrained combinatorial optimization problem, randomly selects a first spin variable from the number of spin variables, sets a predetermined proportion of spin variables other than the first spin variable as a second spin variable from the number of spin variables, and calculates a deformed Hamiltonian by merging the second spin variable with the first spin variable based on a provisional solution of the Ising model and eliminating the second spin variable from the Hamiltonian; and an Ising machine that finds a solution for the deformed Hamiltonian. The processor finds the solution to the Ising model by calculating the value of the second spin variable from the solution obtained by the Ising machine.

本発明に係るプログラムは、イジングモデルを解くための計算方法をイジングマシンと併用して古典コンピュータに実行させるためのプログラムであって、制約付きの組合せ最適化問題から所定の複数のスピン変数を有するイジングモデルのハミルトニアンを計算し、複数のスピン変数の中から第1スピン変数をランダムに選択し、複数のスピン変数の中から第1スピン変数以外の所定の割合のスピン変数を第2スピン変数として設定し、イジングモデルの暫定解に基づいて第2スピン変数を第1スピン変数にマージしてハミルトニアンから第2スピン変数を消去することによって、変形されたハミルトニアンを計算し、変形されたハミルトニアンに対してイジングマシンで得られた解から第2スピン変数の値を計算することによってイジングモデルの解を求めるプロセスを実行させる。 The program according to the present invention is a program that causes a classical computer to execute a computational method for solving the Ising model in conjunction with an Ising machine. The program calculates the Hamiltonian of an Ising model having a predetermined number of spin variables from a constrained combinatorial optimization problem, randomly selects a first spin variable from the multiple spin variables, sets a predetermined proportion of the spin variables other than the first spin variable as the second spin variable, and calculates a deformed Hamiltonian by merging the second spin variable with the first spin variable based on a provisional solution of the Ising model, thereby eliminating the second spin variable from the Hamiltonian. Finally, it calculates the value of the second spin variable from the solution obtained by the Ising machine using the deformed Hamiltonian, thereby obtaining the solution to the Ising model.

本発明によれば、イジングモデルのスピン変数のマージによってハミルトニアンを変形することにより、マルチスピンフリップと等価な過程をシングルスピンフリップで実現することができる。 According to this invention, by deforming the Hamiltonian through the merging of spin variables in the Ising model, a process equivalent to a multi-spin flip can be realized with a single-spin flip.

イジングマシンの動作原理であるシングルスピンフリップのシミュレーテッドアニーリング(SA)を説明するための模式図である。This is a schematic diagram illustrating the simulated annealing (SA) of a single-spin flip, which is the operating principle of an Ising machine. マルチスピンフリップを説明するための模式図である。This is a schematic diagram to explain multispin flips. 本実施形態に係る計算システムの構成を示すブロック図である。This block diagram shows the configuration of the calculation system according to this embodiment. 図3に示す古典コンピュータのハードウェア構成を示すブロック図である。Figure 3 is a block diagram showing the hardware configuration of a classic computer. マージ手法によるエネルギー地形の変形を表す概念図である。This is a conceptual diagram illustrating the deformation of energy terrain using the merge method. 2スピン系のイジングモデルのエネルギー地形の一例を表す模式図である。This is a schematic diagram illustrating an example of the energy landscape of a two-spin Ising model. 図6Aのイジングモデルのスピン変数のマージによって得られる変形されたエネルギー地形を表す模式図である。Figure 6A is a schematic diagram representing the deformed energy landscape obtained by merging the spin parameters of the Ising model. 4スピン系のイジングモデルのエネルギー地形の一例を表す模式図である。This is a schematic diagram illustrating an example of the energy landscape of a four-spin Ising model. 図7Aのイジングモデルのスピン変数のマージによって得られる変形されたエネルギー地形を表す模式図である。Figure 7A is a schematic diagram representing the deformed energy landscape obtained by merging the spin parameters of the Ising model. 本実施形態に係る計算方法を示すフローチャートである。This flowchart shows the calculation method according to this embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。 The embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<計算システム>
まず、本実施形態の計算システムの構成について説明する。図3に示すように、本実施形態の計算システム10は、古典コンピュータ20と、古典コンピュータ20に接続されたイジングマシン30とを備える。古典コンピュータ20は、パーソナルコンピュータなどのフォンノイマン型のコンピュータである。
<Calculation System>
First, the configuration of the computing system of this embodiment will be described. As shown in Figure 3, the computing system 10 of this embodiment comprises a classical computer 20 and an Ising machine 30 connected to the classical computer 20. The classical computer 20 is a von Neumann type computer such as a personal computer.

イジングマシン30は、D-Wave 2000Qマシン、CMOSアニーリングマシン、デジタルアニーラ(登録商標)などの公知のイジングマシンである。 The Ising machine 30 is a well-known Ising machine, such as a D-Wave 2000Q machine, a CMOS annealing machine, or a Digital Annealer (registered trademark).

図4に示すように、古典コンピュータ20は、プロセッサ202と、メモリ204と、記憶装置206と、入力部208と、ディスプレイ210と、I/F212とを備え、これらのデバイスはバスを介して接続される。 As shown in Figure 4, the classical computer 20 comprises a processor 202, memory 204, storage device 206, input unit 208, display 210, and I/F 212, and these devices are connected via a bus.

プロセッサ202は、Central Processing Unit(CPU)等を有し、メモリ204及び記憶装置206に格納されたプログラムに従って各種の処理を実行する。プロセッサ202によって実行される計算方法の詳細については後述する(図5~図8参照)。 The processor 202 includes a Central Processing Unit (CPU) and other components, and executes various processes according to the programs stored in the memory 204 and storage device 206. Details of the calculation methods performed by the processor 202 will be described later (see Figures 5 to 8).

なお、プロセッサ202として、CPU等の汎用コンピュータの代わりに、本実施形態の計算方法を実行するためのApplication Specific Integrated Circuits(ASIC)、Field Programmable Gate Array(FPGA)等の専用コンピュータを採用してもよい。 Furthermore, instead of a general-purpose computer such as a CPU, a dedicated computer such as an Application Specific Integrated Circuits (ASIC) or Field Programmable Gate Array (FPGA) for executing the calculation method of this embodiment may be used as the processor 202.

メモリ204は、Read Only Memory(ROM)及びRandom Access Memory(RAM)を有する。ROMは、BIOS等のブートプログラムを格納している。プロセッサ202が、ROMに格納されたプログラム又は記憶装置206に格納されたプログラムを読み出す際、これらのプログラムはRAMにロードされる。 Memory 204 comprises Read Only Memory (ROM) and Random Access Memory (RAM). ROM stores boot programs such as the BIOS. When the processor 202 reads a program stored in ROM or a program stored in storage device 206, these programs are loaded into RAM.

記憶装置206は、非一時的なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を有し、本実施形態の計算方法を実行するためのプログラム、プログラムの実行に必要なデータ等を格納している。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体としては、Hard Disk Drive(HDD)、Solid State Drive(SSD)、光ディスク等が挙げられる。 The storage device 206 has a non-temporary computer-readable storage medium and stores a program for executing the calculation method of this embodiment, data necessary for program execution, and the like. Examples of computer-readable storage media include hard disk drives (HDDs), solid-state drives (SSDs), and optical discs.

なお、プロセッサ202によって実行されるプログラムを、ネットワークを介して接続された他のコンピュータに格納し、プロセッサ202が、他のコンピュータからI/F212を介してプログラムを読み出すようにしてもよい。 Furthermore, the program executed by processor 202 may be stored in another computer connected via a network, and processor 202 may read the program from the other computer via I/F 212.

入力部208は、マウス、キーボード等の入力デバイスを有する。ディスプレイ210は、Liquid Crystal Display(LCD)等のディスプレイであり、プロセッサ202により実行された処理の結果を表示する。 The input unit 208 has input devices such as a mouse and keyboard. The display 210 is a display such as a Liquid Crystal Display (LCD) and displays the results of processing performed by the processor 202.

I/F212は、古典コンピュータ20をLocal Area Network(LAN)、Wide Area Network(WAN)、及び/又はインターネット等のネットワークに接続するためのインターフェースである。 I/F212 is an interface for connecting the classical computer 20 to a network such as a Local Area Network (LAN), Wide Area Network (WAN), and/or the Internet.

<計算方法>
次に、図5~図8を参照して、本実施形態の計算方法について説明する。本実施形態では、イジングマシン30でマルチスピンフリップを実現するため、図5に示すように、イジングモデルの少なくとも一部のスピン変数をマージ(merge)することでイジングモデルのエネルギー地形を変形するマージ手法を用いる。これにより、変形されたハミルトニアンにおけるシングルスピンフリップと元のハミルトニアンにおけるマルチスピンフリップとを等価にさせる。
<Calculation method>
Next, the calculation method of this embodiment will be described with reference to Figures 5 to 8. In this embodiment, in order to realize multi-spin flips in the Ising machine 30, a merging method is used to deform the energy landscape of the Ising model by merging at least some of the spin variables of the Ising model, as shown in Figure 5. This makes the single-spin flip in the deformed Hamiltonian equivalent to the multi-spin flip in the original Hamiltonian.

以下、2スピン系のイジングモデルと4スピン系のイジングモデルの例を挙げて、マージ手法を説明する。 The merging method will be explained below using examples of two-spin and four-spin Ising models.

2スピン系のイジングモデルとして、上述の式(1)と同一のハミルトニアンH(σ、σ)を与えるイジングモデル(以下、イジングモデルIと呼ぶ。)を考える。イジングモデルIは、σとσのうち一方が+1で他方が-1のときに制約を満たすというone-hot制約を有する。図6Aに、H(σ、σ)のエネルギー地形を示す。イジングモデルIは、エネルギー値-2の局所解(+1、-1)と、エネルギー値-4の基底解(-1、+1)とを有する。残りの非実行可能解は、エネルギー値20及び14をそれぞれ与える(-1、-1)及び(+1、+1)である。イジングモデルIにおいて実行可能解の間を遷移するためには、ダブルスピンフリップが必要となる。 As an Ising model for a two-spin system, we consider an Ising model (hereinafter referred to as Ising model I) that gives the same Hamiltonian H1 ( σ1 , σ2 ) as equation (1) above. Ising model I has a one-hot constraint that satisfies the constraint when one of σ1 and σ2 is +1 and the other is -1. Figure 6A shows the energy landscape of H1 ( σ1 , σ2 ). Ising model I has a local solution (+1, -1) with an energy value of -2 and a base solution (-1, +1) with an energy value of -4. The remaining non-feasible solutions are (-1, -1) and (+1, +1), which give energy values of 20 and 14, respectively. In Ising model I, a double spin flip is required to transition between feasible solutions.

いま、H(σ、σ)の局所解にあるものとする。局所解においてσσ=-1であることから、σ=-σを用いてσをσにマージしてH(σ、σ)からσを消去すると、式(2)のように、変形されたハミルトニアンH′(σ)が得られる。
Now, assume we are in a local optimum of H₁ ( σ₁ , σ₂ ). Since σ₁σ₂ = -1 in the local optimum, we can use σ₂ = -σ₁ to merge σ₂ with σ₁ and eliminate σ₂ from H₁ ( σ₁ , σ₂ ), which gives us the transformed Hamiltonian H₁ ( σ₁ ) as shown in equation (2).

′(σ)は、マージされたスピン変数σに依存しない。図6Bに、H′(σ)のエネルギー地形を示す。元のH(σ、σ)では、局所解と基底解との間にエネルギー障壁があったが、H′(σ)ではエネルギー障壁がなくなっていることがわかる。H′(σ)をイジングマシン30に入力すると、シングルスピンフリップでH′(σ)の基底解を求めることができる。H′(σ)は、σ=+1でエネルギー値-2となり、σ=-1でエネルギー値-4となるので、σ=-1が基底解である。すなわち、H′(σ)において、σ=+1はもはや局所解ではなく、シングルスピンフリップで基底解σ=-1に遷移する。 H1 '( σ1 ) is independent of the merged spin variable σ2 . Figure 6B shows the energy landscape of H1 '( σ1 ). In the original H1 ( σ1 , σ2 ), there was an energy barrier between the local solution and the ground solution, but in H1 ' ( σ1 ), the energy barrier has disappeared. When H1 '( σ1 ) is input to the Ising machine 30, the ground solution of H1 '( σ1 ) can be found with a single spin flip. In H1 '( σ1 ), the energy value is -2 when σ1 = +1 and the energy value is -4 when σ1 = -1, so σ1 = -1 is the ground solution. That is, in H1 '( σ1 ), σ1 = +1 is no longer a local solution, and a single spin flip transitions to the ground solution σ1 = -1.

次に、σ=-σから、消去したσの値を求める。H′(σ)の基底解σ=-1から、(σ、σ)=(-1、+1)が得られ、エネルギー関数は最小値-4をとる。よって、(σ、σ)=(-1、+1)は元のH(σ、σ)の基底解である。このように、H′(σ)におけるσ=+1からσ=-1へのシングルスピンフリップは、元のH(σ、σ)における(σ、σ)=(+1、-1)から(σ、σ)=(-1、+1)へのダブルスピンフリップと等価になる。 Next, we find the value of the eliminated σ² from σ² = -σ² . From the basis solution σ² = -1 of H₁ ′( σ² ), we obtain ( σ² , σ² ) = (-1, +1), and the energy function takes its minimum value of -4. Therefore, ( σ² , σ² ) = (-1, +1) is the basis solution of the original H₁ ( σ² ). Thus, the single spin flip from σ² = +1 to σ² = -1 in H₁ ′( σ² ) is equivalent to the double spin flip from ( σ² , σ² ) = ( +1 , -1) to ( σ² , σ² ) = (-1, +1) in the original H₁ ( σ² ).

次に、式(3)のハミルトニアンH(σ、σ、σ、σ)を与える4スピン系のイジングモデル(以下、イジングモデルIIと呼ぶ。)を考える。
Next, we consider the Ising model of a four-spin system that gives the Hamiltonian H2 ( σ1 , σ2 , σ3 , σ4 ) in equation (3) (hereinafter referred to as Ising model II).

イジングモデルIIは、{σ、σ}、{σ、σ}、{σ、σ}、{σ、σ}に対し、一方のスピン変数が+1で他方のスピン変数が-1のときに制約を満たすというone-hot制約を有する。図7Aに、H(σ、σ、σ、σ)のエネルギー地形を示す。イジングモデルIIは、エネルギー値+1を与える局所解(-1、+1、+1、-1)と、エネルギー値-1を与える基底解(+1、-1、-1、+1)とを有する。残りの非実行可能解は、大きなエネルギー値799を与える(+1、+1、+1、-1)、(+1、-1、+1、-1)及び(+1、-1、+1、+1)である。イジングモデルIIにおいて実行可能解の間を遷移するためには、4スピンフリップが必要となる。 The Ising model II has a one-hot constraint that satisfies the constraints when one spin variable is +1 and the other spin variable is -1 for { σ₁ , σ₂ }, { σ₃ , σ₴ } , { σ₁ , σ₃ }, and {σ₂, σ₴}. Figure 7A shows the energy landscape of H₂ ( σ₁ , σ₂ , σ₃ , σ ). The Ising model II has a local solution (-1, +1, +1, -1) that gives an energy value of +1 and a base solution (+1, -1, -1, +1) that gives an energy value of -1. The remaining non-feasible solutions are (+1, +1, +1, -1), (+1, -1, +1, -1) and (+1, -1, +1, +1) that give a large energy value of 799. Four spin flips are required to transition between feasible solutions in the Ising model II.

いま、H(σ、σ、σ、σ)の局所解にあるものとする。4つのスピン変数のうち、マージの基準とするスピン変数(以下、第1スピン変数と呼ぶ。)をσとし、σにマージされるスピン変数(以下、第2スピン変数と呼ぶ。)をσ、σ、σとする。局所解において、σσ=-1、σσ=-1、σσ=+1であることから、σ=-σ、σ=-σ、σ=σを用いてσ、σ、σをσにマージしてH(σ、σ、σ、σ)からσ、σ、σを消去すると、式(4)のように、変形されたハミルトニアンH′(σ)が得られる。
Let's assume we are currently at a local optimum of H₂ ( σ₁ , σ₂ , σ₃ , σ₄ ). Of the four spin variables, let σ₁ be the spin variable used as the criterion for merging (hereinafter referred to as the first spin variable), and let σ₂ , σ₃ , and σ₄ be the spin variables merged into σ₁ ( hereinafter referred to as the second spin variables). In the local minimum, σ₁σ₂ = -1 , σ₁σ₃ = -1, and σ₁σ₄ = +1. Therefore, by merging σ₂, σ₃ , and σ₄ with σ₁ using σ₂ = -σ₁ , σ₃ = -σ₁ , and σ₄ = σ₁ , we can eliminate σ₂ , σ₃ , and σ₄ from H₂ ( σ₁ , σ₂ , σ₃ , σ₄ ), and obtain the transformed Hamiltonian H₂ ' ( σ₁ ) as shown in equation (4).

′(σ)は、マージされた第2スピン変数σ、σ、σに依存しない。図7Bに、H′(σ)のエネルギー地形を示す。元のH(σ、σ、σ、σ)では、局所解と基底解との間にエネルギー障壁があったが、H′(σ)では、エネルギー障壁がなくなっていることがわかる。H′(σ)をイジングマシン30に入力すると、シングルスピンフリップでH′(σ)の基底解を求めることができる。H′(σ)は、σ=-1でエネルギー値が+1となり、σ=+1でエネルギー値が-1となるので、σ=+1が基底解である。すなわち、H′(σ)において、σ=-1はもはや局所解ではなく、シングルスピンフリップで基底解σ=+1に遷移する。 H2 '( σ1 ) is independent of the merged second spin variables σ2 , σ3 , and σ4 . Figure 7B shows the energy landscape of H2 '( σ1 ). In the original H2 ( σ1 , σ2 , σ3 , σ4 ), there was an energy barrier between the local minima and the ground solution, but in H2 '( σ1 ), the energy barrier has disappeared. When H2 '( σ1 ) is input into the Ising machine 30, the ground solution of H2 '( σ1 ) can be found using a single spin flip. In H2 '( σ1 ), the energy value is +1 when σ1 = -1, and the energy value is -1 when σ1 = +1, so σ1 = +1 is the ground solution. In other words, in H2 '( σ1 ), σ1 = -1 is no longer a local solution, and a single spin flip transitions to the base solution σ1 = +1.

次に、マージで得られたσ=-σ、σ=-σ、σ=σを用いて、第2スピン変数の値を求める。H′(σ)の基底解σ=+1から、(σ、σ、σ、σ)=(+1、-1、-1、+1)が得られ、エネルギー関数は最小値-1をとる。よって、(σ、σ、σ、σ)=(+1、-1、-1、+1)は元のH(σ、σ、σ、σ)の基底解である。このように、H′(σ)におけるσ=-1からσ=+1へのシングルスピンフリップは、元のH(σ、σ、σ、σ)における(σ、σ、σ、σ)=(-1、+1、+1、-1)から(σ、σ、σ、σ)=(+1、-1、-1、+1)への4スピンフリップと等価になる。 Next, we use the values of σ² = -σ₁ , σ₃ = -σ₁ , and σ₄ = σ₁ obtained by merging to find the value of the second spin variable. From the basis solution σ₁ = +1 of H₂ '( σ₁ ), we obtain ( σ₁ , σ₂ , σ₃ , σ₄ ) = (+1, -1, -1, +1), and the energy function takes its minimum value of -1. Therefore, ( σ₁ , σ₂ , σ₃ , σ₄ ) = (+1, -1, -1, +1) is the basis solution of the original H₂ ( σ₁ , σ₂ , σ₃ , σ₄ ). Thus, a single spin flip from σ1 = -1 to σ1 = +1 in H2 '( σ1 ) is equivalent to a four -spin flip from ( σ1 , σ2 , σ3 , σ4 ) = (-1, +1 , +1, -1) to ( σ1 , σ2 , σ3 , σ4 ) = (+1, -1, -1, +1) in the original H2( σ1 , σ2 , σ3, σ4 ).

なお、上述の2スピン系と4スピン系のイジングモデルの例では、1つのスピン変数に対して残りのスピン変数を全てマージしたが、実際のイジングモデルでは、スピン変数の数が非常に多いことから、全スピン変数のうちの一部(例えば30%)がマージされるように、マージされる第2スピン変数を確率的に決めることができる。また、第2スピン変数をユーザが指定することも可能である。シミュレーテッドアニーリング(SA)では、エネルギー障壁が残ったとしても、温度が高いうちはエネルギーが高くなる解へ確率的に遷移するため、エネルギー障壁を超えられる可能性がある。 In the examples of the two-spin and four-spin Ising models mentioned above, all remaining spin variables were merged with one spin variable. However, in actual Ising models, the number of spin variables is very large. Therefore, it is possible to probabilistically determine which second spin variable is merged, so that only a portion of all spin variables (e.g., 30%) are merged. It is also possible for the user to specify the second spin variable. In simulated annealing (SA), even if an energy barrier remains, at high temperatures, the system probabilistically transitions to a solution with higher energy, potentially allowing it to overcome the energy barrier.

2スピン系と4スピン系のイジングモデルのマージ手法を例示したが、任意のN個のスピン変数からなるイジングモデルに対してマージ手法を適用することができる。一般に、N個のスピン変数σ(i∈{1、2、…、N})からなるイジングモデルのハミルトニアンHは式(5)のように定義される。
ここで、Jijはσとσとの間の相互作用係数、hはσの外部磁場係数、Hは定数である。Jijは対称であり(Jij=Jji)、対角成分はゼロとする(Jii=0)。
Although we have illustrated the merging method for two-spin and four-spin Ising models, the merging method can be applied to any Ising model consisting of N spin variables. In general, the Hamiltonian H of an Ising model consisting of N spin variables σi (i ∈ {1, 2, ..., N}) is defined as shown in equation (5).
Here, J ij is the interaction coefficient between σ i and σ j , h i is the external magnetic field coefficient of σ i , and H 0 is a constant. J ij is symmetric (J ij = J ji ), and its diagonal components are zero (J ii = 0).

式(5)のイジングモデルに対して、以下のようにマージ手法のための定理を導くことができる。
<定理> 全てのi∈{1、2、…、N}に対して、マルチスピンフリップするスピン変数の集合の情報を与えるパラメータとして、mとsを式(6)のように定義する。
このとき、式(7)のように、N個のスピン変数からなるイジングモデルのハミルトニアンH({s}i=1 N、{m}i=1 N;H)が得られる。
ここで、Jij 、h 、H は、それぞれ、式(8)、式(9)、式(10)を満たす。
For the Ising model in equation (5), we can derive the theorem for the merge method as follows.
<Theorem> For all i ∈ {1, 2, ..., N}, we define mi and si as parameters that provide information about the set of spin variables that perform multi-spin flips, as shown in equation (6).
At this point, the Hamiltonian H M of the Ising model consisting of N spin variables ({s i } i=1 N , {m i } i=1 N ; H) is obtained as shown in equation (7).
Here, J ij M , hi M , and H 0 M satisfy equations (8), (9), and (10), respectively.

このとき、全てのiに対してσσmi=sを満たす状態に対して、式(11)に示すように、H({s}i=1 N、{m}i=1 N;H)とHは同じエネルギー値をとる。
In this case, for all i, the state that satisfies σ i σ mi = s i , then H M ({s i } i=1 N , {mi i } i=1 N ; H) and H take the same energy value, as shown in equation (11).

({s}i=1 N、{m}i=1 N;H)はマージ手法によって得られた変形されたハミルトニアンを表している。この定理は、マージ手法においてハミルトニアンを変形しても、エネルギー値が変化しないことを意味している。スピン変数は+1又は-1の値をとるため、σσmi=sからσ=sσmiを得る。この関係式を用いて式(5)のHからm≠iを満たすiを持つσを消去することで式(7)のH({s}i=1 N、{m}i=1 N;H)を得ることができる。 H M ({s i } i=1 N , {m i } i=1 N ; H) represents the deformed Hamiltonian obtained by the merge method. This theorem means that the energy value does not change even when the Hamiltonian is deformed in the merge method. Since the spin variable takes a value of +1 or -1, we obtain σ i = s i σ mi = s i . Using this relationship, we can eliminate σ i with i that satisfies mi ≠ i from H in equation (5) to obtain H M ({s i } i=1 N , {m i } i=1 N ; H) in equation (7).

次に、図8に示すフローチャートを参照して、計算システム10によって実行される計算方法の流れを説明する。本実施形態の計算方法は、上述のマージ手法をSAに組み込んだハイブリッドアルゴリズムである。 Next, the flow of the calculation method executed by the calculation system 10 will be explained with reference to the flowchart shown in Figure 8. The calculation method in this embodiment is a hybrid algorithm that incorporates the merge technique described above into the SA.

まず、古典コンピュータ20は、制約付きの組合せ最適化問題からイジングモデルのハミルトニアンHorgを計算し(ステップ802)、当該イジングモデルの初期解(暫定解)とSAの初期温度(例えば100度)とを設定する(ステップ804)。 First, the classical computer 20 calculates the Hamiltonian Horg of the Ising model from a constrained combinatorial optimization problem (step 802), and sets the initial solution (provisional solution) of the Ising model and the initial temperature of SA (e.g., 100 degrees) (step 804).

次に、古典コンピュータ20は、イジングモデルの全スピン変数の中からマージの基準となる第1スピン変数をランダムに選択し、全スピン変数の中から第1スピン変数以外の所定の割合のスピン変数(例えば、全スピン変数の30%)を第2スピン変数として設定する。そして、古典コンピュータ20は、現在の暫定解に基づき第2スピン変数を第1スピン変数にマージして元のハミルトニアンHorgから第2スピン変数を消去することによって、変形されたハミルトニアンH′を得る(ステップ806)。変形されたハミルトニアンH′はイジングマシン30に入力される。 Next, the classical computer 20 randomly selects a first spin variable from all the spin variables of the Ising model to serve as the basis for merging, and sets a predetermined percentage of the spin variables other than the first spin variable (for example, 30% of all spin variables) as the second spin variable. Then, based on the current provisional solution, the classical computer 20 merges the second spin variable with the first spin variable and eliminates the second spin variable from the original Hamiltonian Horg to obtain a modified Hamiltonian H' (step 806). The modified Hamiltonian H' is input into the Ising machine 30.

イジングマシン30は、変形されたハミルトニアンH′に対する解を求め、解を更新する(ステップ808)。次に、古典コンピュータ20は、イジングマシン30で得られた解から、ステップ806のマージで消去された第2スピン変数の値を計算することで、イジングモデルの新たな暫定解を求める(ステップ810)。そして、古典コンピュータ20は、ハミルトニアンを元のHorgに戻す(ステップ812)。 The Ising machine 30 finds a solution for the deformed Hamiltonian H' and updates the solution (step 808). Next, the classical computer 20 finds a new provisional solution for the Ising model by calculating the value of the second spin variable that was eliminated in the merge in step 806 from the solution obtained by the Ising machine 30 (step 810). Then, the classical computer 20 returns the Hamiltonian to the original H org (step 812).

次に、古典コンピュータ20は、SAにおける温度を所定の温度間隔だけ下げ(ステップ814)、現在の温度が予め設定された最終温度(例えば1度)に達したか否かを判定する(ステップ816)。現在の温度が最終温度に達していない場合(ステップ816;NO)、ステップ806に戻り、ステップ806~814のプロセスが繰り返される。最終温度になるまでステップ806~814を繰り返すことで、暫定解が徐々に最適解に近くなる。一方、現在の温度が最終温度に達した場合(ステップ816;YES)、直近に得られた暫定解がイジングモデルの基底解として定まり、本実施形態の計算方法が終了する。 Next, the classical computer 20 lowers the temperature in SA by a predetermined temperature interval (step 814) and determines whether the current temperature has reached a preset final temperature (e.g., 1 degree) (step 816). If the current temperature has not reached the final temperature (step 816; NO), the process returns to step 806, and steps 806-814 are repeated. By repeating steps 806-814 until the final temperature is reached, the provisional solution gradually approaches the optimal solution. On the other hand, if the current temperature reaches the final temperature (step 816; YES), the most recently obtained provisional solution is determined as the basis solution of the Ising model, and the calculation method of this embodiment ends.

このように、マージ手法を用いてイジングモデルのハミルトニアンを変形し、イジングマシン30によって変形後のハミルトニアンに対する解を求めることで、マルチスピンフリップと等価な過程をシングルスピンフリップで実現することができる。よって、イジングマシン30の動作原理(シングルスピンフリップ)を変更することなく、マルチスピンフリップを実装することができ、イジングマシン30の性能を改善することができる。 Thus, by deforming the Hamiltonian of the Ising model using a merge method and obtaining a solution for the deformed Hamiltonian using the Ising machine 30, a process equivalent to a multi-spin flip can be realized with a single-spin flip. Therefore, a multi-spin flip can be implemented without changing the operating principle (single-spin flip) of the Ising machine 30, thereby improving the performance of the Ising machine 30.

本実施形態のマージ手法を用いた計算方法を評価するため、当該計算方法をNP困難な問題である二次ナップサック問題(QKP)に適用したところ、マージ手法を用いない計算方法に比べて、残留エネルギー(最適値からのエラーの大きさ)を平均して68%削減することに成功した。同様に、本実施形態の計算方法を二次割り当て問題(QAP)に適用したところ、残留エネルギーを平均して15%削減することができた。 To evaluate the calculation method using the merge technique of this embodiment, we applied the method to the quadratic knapsack problem (QKP), which is an NP-hard problem. Compared to a calculation method without the merge technique, we succeeded in reducing the residual energy (magnitude of error from the optimal value) by an average of 68%. Similarly, when we applied the calculation method of this embodiment to the quadratic assignment problem (QAP), we were able to reduce the residual energy by an average of 15%.

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能であり、当業者によってなされる他の実施形態、変形例も本発明に含まれる。 Furthermore, the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible without departing from the spirit of the invention. Other embodiments and modifications made by those skilled in the art are also included in the present invention.

10 計算システム
20 古典コンピュータ
30 イジングマシン
202 プロセッサ
204 メモリ
206 記憶装置
208 入力部
210 ディスプレイ
212 I/F
10 Computing System 20 Classical Computer 30 Ising Machine 202 Processor 204 Memory 206 Storage Device 208 Input Unit 210 Display 212 I/F

Claims (4)

イジングモデルを解くための計算方法であって、
古典コンピュータにより、
(a)制約付きの組合せ最適化問題から所定の複数のスピン変数を有するイジングモデルのハミルトニアンを計算し、
(b)前記複数のスピン変数の中から第1スピン変数をランダムに選択し、前記複数のスピン変数の中から前記第1スピン変数以外の所定の割合のスピン変数を第2スピン変数として設定し、前記イジングモデルの暫定解に基づいて前記第2スピン変数を前記第1スピン変数にマージして前記ハミルトニアンから前記第2スピン変数を消去することによって、変形されたハミルトニアンを計算し、
イジングマシンにより、
(c)前記変形されたハミルトニアンに対する解を求め、
前記古典コンピュータにより、
(d)前記イジングマシンで得られた解から前記第2スピン変数の値を計算することによって前記イジングモデルの解を求める、計算方法。
A computational method for solving the Ising model,
Classical computers,
(a) Compute the Hamiltonian of an Ising model with a given number of spin variables from a constrained combinatorial optimization problem,
(b) Randomly select a first spin variable from the plurality of spin variables, set a predetermined proportion of spin variables other than the first spin variable from the plurality of spin variables as a second spin variable, and calculate the deformed Hamiltonian by merging the second spin variable with the first spin variable based on the provisional solution of the Ising model and eliminating the second spin variable from the Hamiltonian.
Using the Ising machine,
(c) Find the solution for the modified Hamiltonian,
According to the aforementioned classical computer,
(d) A method for obtaining the solution of the Ising model by calculating the value of the second spin variable from the solution obtained by the Ising machine.
前記古典コンピュータは、シミュレーテッドアニーリングにおける初期温度を設定し、前記(b)~前記(d)のプロセスの後、温度を下げ、
所定の最終温度に達するまで前記(b)~前記(d)のプロセスを繰り返すことにより、前記イジングモデルの基底解を求める、請求項1に記載の計算方法。
The aforementioned classical computer sets the initial temperature in simulated annealing, and after processes (b) to (d), lowers the temperature.
The calculation method according to claim 1, wherein the basis solution of the Ising model is obtained by repeating the processes (b) to (d) until a predetermined final temperature is reached.
イジングモデルを解くための計算システムであって、
制約付きの組合せ最適化問題から所定の複数のスピン変数を有するイジングモデルのハミルトニアンを計算し、前記複数のスピン変数の中から第1スピン変数をランダムに選択し、前記複数のスピン変数の中から前記第1スピン変数以外の所定の割合のスピン変数を第2スピン変数として設定し、前記イジングモデルの暫定解に基づいて前記第2スピン変数を前記第1スピン変数にマージして前記ハミルトニアンから前記第2スピン変数を消去することによって、変形されたハミルトニアンを計算するプロセッサを有する古典コンピュータと、
前記変形されたハミルトニアンに対する解を求めるイジングマシンと、
を備え、
前記プロセッサは、
前記イジングマシンで得られた解から前記第2スピン変数の値を計算することによって前記イジングモデルの解を求める、計算システム。
A computational system for solving the Ising model,
A classical computer having a processor that calculates the Hamiltonian of an Ising model having a predetermined number of spin variables from a constrained combinatorial optimization problem, randomly selects a first spin variable from the plurality of spin variables, sets a predetermined proportion of spin variables other than the first spin variable as second spin variables from the plurality of spin variables, and calculates a deformed Hamiltonian by merging the second spin variables with the first spin variables based on a provisional solution of the Ising model and eliminating the second spin variables from the Hamiltonian, and
An Ising machine for finding a solution to the aforementioned deformed Hamiltonian,
Equipped with,
The aforementioned processor,
A computational system for obtaining the solution to the Ising model by calculating the value of the second spin variable from the solution obtained by the Ising machine.
イジングモデルを解くための計算方法をイジングマシンと併用して古典コンピュータに実行させるためのプログラムであって、
制約付きの組合せ最適化問題から所定の複数のスピン変数を有するイジングモデルのハミルトニアンを計算し、
前記複数のスピン変数の中から第1スピン変数をランダムに選択し、前記複数のスピン変数の中から前記第1スピン変数以外の所定の割合のスピン変数を第2スピン変数として設定し、前記イジングモデルの暫定解に基づいて前記第2スピン変数を前記第1スピン変数にマージして前記ハミルトニアンから前記第2スピン変数を消去することによって、変形されたハミルトニアンを計算し、
前記変形されたハミルトニアンに対して前記イジングマシンで得られた解から前記第2スピン変数の値を計算することによって前記イジングモデルの解を求めるプロセスを実行させるためのプログラム。
This is a program that allows a classical computer to execute a computational method for solving the Ising model in conjunction with an Ising machine.
We compute the Hamiltonian of an Ising model with a given number of spin variables from a constrained combinatorial optimization problem.
A first spin variable is randomly selected from the aforementioned plurality of spin variables, a predetermined proportion of spin variables other than the first spin variable are set as the second spin variable, and the second spin variable is merged with the first spin variable based on the provisional solution of the Ising model to eliminate the second spin variable from the Hamiltonian, thereby calculating the deformed Hamiltonian.
A program for causing a process to obtain a solution to the Ising model by calculating the value of the second spin variable from the solution obtained by the Ising machine for the modified Hamiltonian.
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