日立北大ラボ編・地域密着で課題解決に挑む
【第1回】課題解決に数学を活かす

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疑似量子コンピュータの社会応用からスタート

――2016年に日立北大ラボは設立されています。なぜ、北大と連携することになったのでしょうか。

竹本
日立製作所と北大は、以前から陽子線治療システムの共同開発などを手掛けてきたことに加え、北海道が社会課題の先行地域だったことが大きいと思います。特に、人口減少による過疎化や少子高齢化、地域経済の低迷などは、2050年と言わず、10年先にも顕在化が予想されます。そのため地域の皆さんも、こうした問題をリアルな喫緊の課題と捉えていました。私たちも当初から、リアルな社会課題に挑み、具体的な解決策を地域とともに考えていくことがミッションという思いで臨んでいます。

そもそもこのラボ活動は、これまでの大学との共同研究のように、先に何かテーマを決めて双方が分担してこなすのではなく、日立と大学が一緒に課題設定から取り組むことを前提にしています。最初のうちは課題を探すこと自体が難しく、試行錯誤もありましたが、7年を経るなかで、パートナーである岩見沢市をはじめ、多様な分野の研究者や企業などとのネットワークが広がってきました。いまでは課題解決の過程でまた新たな課題に気づき、次の研究開発活動につながるという、いいスパイラルができています。

――竹本さんご自身は、どのような関わり方をなさってきたのですか？

竹本
日立北大ラボが設立された当初から、北大電子科学研究所附属社会創造数学研究センターと連携して、日立が開発した疑似的な量子コンピュータ「CMOSアニーリングマシン（※）」の社会応用のための研究開発に従事してきました。2019年からは、ラボ長代行として、ラボの研究全般に従事しています。つまり当初は、このアニーリングマシンを日立北大ラボの活動を通じて社会実装につなげるという目的を持っていたんですね。一方、北大側も「社会を変えるような新しい数学をつくりたい」という思いがあり、「社会創造数学」の名のもと数学の社会応用をテーマに、アニーリングマシンを使いながら活動をスタートしました。

したがって最初の3年間はアニーリングマシンありきで、「組合せ最適化問題」に強いこのマシンを使い、実問題を数学的な問題にどうマッピングして計算に落とし込んでいくのか、というアプローチで進めていたのです。

ところが実際にさまざまな課題を見ていくなかで、アニーリングマシンの領域では解けない問題がたくさんあることに気づいたんですね。そこでまず地域の課題にフォーカスして、アニーリングマシンにこだわることなく、ソリューションを考えていくアプローチへと切り替えていったのです。

※量子コンピュータの一種である量子アニーリングの仕組みを、CMOS（半導体）上に疑似的に再現したマシン。組合せ最適化問題を解くのに適している。量子コンピュータで必要な冷却装置などは不要で、室温で動作する上、大規模化にも対応できる。

北海道の地域特性を活かした取り組みへ

――手段ではなく目的が先と、方針転換したわけですね。

竹本
私自身は、日立北大ラボに来る前、研究所でハードウエアの開発に長く携わっていましたが、大学ではもともと応用数学の研究をしていたこともあり、むしろ原点に戻ったと言えます。実際に北海道に来てみたら、それこそ課題だらけで、フィールドを活用した実践的な研究開発を通じてもっと課題を知りたい、それらを解いてみたいという思いに駆られました。

例えば、北海道の人口は約500万人ですが、うち約200万人が札幌市に集中しています。本州の地図に北海道の地図を重ね合わせるとわかりますが、北海道というのは、東京から大阪くらいまでがすっぽり入るほどの大きさがあるんですね。つまり、それだけ距離的に広がりのあるなかで、約200万人が札幌市に集中していて、その次の旭川市は1/6の約32万人となっており、残りの市町村では広大な土地に広く人口が分散している。このことからもわかるように、人口減と地域の過疎化が急速に進む北海道において、交通網や電力網などの有線ネットワークを維持・発展させることは困難な状況となっています。

そうした地域特性を把握しながら課題にフォーカスしていくなかで、次第に北海道の「地の利」が生きるテーマが見えてきました。そこから生まれてきたのが、豊かな自然を持つ北海道のポテンシャルを活かした地産地消エネルギーシステムの開発や農業支援、人口問題が先行する北海道における母子健康ケアなどのプロジェクトというわけです。

プログラミングコンテストで世界とつながる

――北大の先生方とは、最初からうまく連携が取れていたのでしょうか？

竹本
正直に申し上げると、最初は戸惑っていらっしゃったのではないかと思います。社会課題の解決となると、特に数学科の理論系の先生方にとっては、テーマ自体が漠然としすぎていて、厳密な数学の世界に落とし込むのが難しく、何からどう取り組んだらいいのかわからない、といった様子でした。一方、私自身も先生方の専門スキルについていけなくて悩んだ時期もあります。ただ、私たちがさまざまに課題を投げかけ、議論を重ねるなかで徐々に人間関係ができてきて、やわらかいテーマのなかにもアカデミックな価値を見出していただけるようになりました。いまでは数学、情報科学、公共政策など、さまざまな分野の先生方と共同研究体制を構築し、課題設定から一緒に悩み、考えるベースができあがっています。

――具体的な成果にどのようなものがあるのでしょうか？

竹本
「社会創造数学」における成果の一つとして、2017年から毎年開催してきた、マラソン型プログラミングコンテスト「未来の自律分散型まちづくり」があります。日立北大ラボ、北大、さらには北大の競技プログラミングサークルに所属する学生さんたちの協力を得ながら、アニーリングマシンの社会応用に関する問題をはじめ、買物支援や地域エネルギーシステム、農機シェアリングなど、まさに北海道の課題解決をテーマに数理モデルで定式化した問題を投げかけ、その解決のためのアルゴリズムを競うコンテストを開催してきました。実用性に加えてアルゴリズムを考える楽しさを兼ね備えた問題を作問し、明確な評価基準を設けて競技性を高めたことや、出題期間の１カ月間はいつでもオンライン上で解答コードを提出できることもあり、さまざまな国の幅広い年齢層の人から毎年数百件の解答コードが寄せられました。

コンテストを通じて、世界中の情報科学系の研究者やプログラマーとつながりができたことは、日立北大ラボの大きな財産となっています。

――次回は、岩見沢市における健康データ統合プラットフォームの取り組みついて伺います。

（取材・文＝田井中麻都佳／写真＝秋山由樹）

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竹本享史（たけもと・たかし）
日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ 日立北大ラボ ラボ長代行、北海道大学客員教授。

2006年、日立製作所入社。情報処理装置向け高速有線通信技術の研究開発などを経て、現在、社会課題解決に向けた健康データ統合プラットフォームや地域エネルギーシステムの研究開発に従事。科学博士。