情報学部 専⾨基礎科⽬
2023秋2期 ⾦曜2限⽬
IB⼤講義室「インフォマティクス４」 第1回（令和5年12月1日）“ガイダンス”+α
長岡正隆・ﾌﾞｼｪｰﾐ･ﾌﾗﾝﾁｪｽｺ・
太田元規・鈴木泰博
名古屋大学 情報学部 自然情報学科
数理情報系・複雑システム系

インフォマティクス４～自然情報学科系の情報学入門 -非ノイマン型計算- ～◆授業概要(⾃然情報学科系の)情報学の⼊⾨として，⾃然や⽣態に基づくアルゴリズムなど⾮ノイマン型計算⽅法について紹介する。量⼦計算，材料情報，⼈⼯タンパク，DNAコンピュータ，粘菌コンピュータ等についてオムニバス形式で講述する（オムニバス⽅式／全8回）。
◆講義⽬的(⾃然情報学科系の)情報学の⼊⾨として，⾃然や⽣態に基づくアルゴリズムなど⾮ノイマン型計算⽅法について紹介する。

『博⼠の異常な愛情／
または私は如何にして⼼配するのを⽌めて⽔爆を愛するようになったか』（1997）

ジョン・フォン・ノイマン（ハンガリー名︓Neumann János（ナイマン・ヤーノシュ、[ˈnɒjmɒnˌjɑ¨ːnoʃ]）、ドイツ名︓ヨハネス・ルートヴィヒ・フォン・ノイマン、John von Neumann, Margittai
Neumann János Lajos, Johannes Ludwig von Neumann, 1903年12⽉28⽇ - 1957年2⽉8⽇）はハンガリー出⾝のアメリカ合衆国の数学者。20世紀科学史における最重要⼈物の⼀⼈。数学・物理学・⼯学・計算機科学・経済学・気象学・⼼理学・政治学に影響を与えた。
第⼆次世界⼤戦中の原⼦爆弾開発や、その後の核政策への関与でも知られる。

監督：スタンリー・キューブリック
配給：コロンビア映画

Wikipedia

長岡正隆

１．ガイダンス
0. ⻑岡・コンピュータ
・⾃然の階層性

ノイマン型 vs. ⾮ノイマン型
とくにミクロ世界の不思議

1. ブシェーミ
・量⼦コンピュータ
・歴史・基礎2. ⻑岡・マテリアルズ･インフォマテクス
・量⼦物質科学・分⼦シミュレーション
3. 太⽥・⼈⼯タンパク・バイオインフォマティクス
6. 鈴⽊・DNAコンピュータ
・粘菌コンピューティング「マテリアルズインフォマティクス〜機械学習を活用した材料工学への誘い〜」
足立吉孝、Design Egg、2016「DNAコンピュータ」
萩谷昌己・横森貢、培風館、2001

ブシェーミ先生
２．量子コンピュータの歴史• 量⼦理論の誕⽣• 情報理論の誕⽣• 現在の情報処理と量⼦⼒学• 量⼦効果とは？
• 量⼦情報科学の誕⽣• 現代の量⼦情報科学• 優越性を⽬指す• IBMの「Quantum Experience」と「QISKit」：Python⾔語で本物の量⼦コンピュータをプログラムする
上左（ノイマン）Los Alamos National Laboratory

上右（ハイゼンベルク）

Wikipedia

中左（量子コンピュータ） https://www.technologyreview.com/s/602283/googles-quantum-dream-may-be-just-around-the-corner/ 2024.2.7
中上（量子もつれ） https://www.sciencealert.com/sorry-einstein-physicists-just-reinforced-the-reality-of-quantum-weirdness-in-the-universe 2024.2.7
中下（半導体チップ） Eric Lucero、カリフォルニア大学サンタバーバラ校マルティニスグループ
下左（記事：Google Plans…） https://spectrum.ieee.org/google-plans-to-demonstrate-the-supremacy-of-quantum-computing 2024.2.7
下右（記事：Google’s…） https://www.newscientist.com/article/2151032-googles-quantum-computing-plans-threatened-by-ibm-curveball/ 2024.2.7

レクチャーラ：ブシェーミF.

ブシェーミ先生
３．量子コンピュータの基礎
量⼦ゲート

⼊

• 古典論理回路と量⼦論理回路• 量⼦⼒学の公理１：量⼦ビットと量⼦状態• 公理２：量⼦ゲート• 公理３：合成量⼦系と量⼦もつれ• 公理４：量⼦測定• 量⼦テレポーテーションの回路• 量⼦⾼密度符号化の回路

出https://www.jst.go.jp/erato/nakamura_mqm/project_overview/p01.html
2024.2.7

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4279886 2024.2.7

長岡正隆
４．マテリアルズ・インフォマティクス（ＭＩ）（物質情報学、Materials Informatics）
物質情報論講座（Since 1992）

人間情報学研究科（1992‐）⇓情報科学研究科（2003‐）⇓情報学研究科（2017‐）
http://wondephysics.web.fc2.com/physicsqc.html 2024.2.7

原子（物理）⇓
分子（化学）⇓物質
運動から“情報”を抽出！
©SONY https://www.jipa.or.jp/jyohou_hasin/sympo/wipo_green/pdf/HP_Sony_jp.pdf 2024.2.7©名古屋大学古賀研究室

物質のモデル化と分子シミュレーション～分子運動のコンピュータ・シミュレーション～
ニュートンの運動方程式を一度にたくさん解かなければならない！
■ヘモグロビンなら358,263個のニュートンの運動⽅程式研究室


F1  m1a1
F2  m2 a2
F3  m3 a3https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hemoglobin.jpg 2024.2.9

ヘモグロビン(119,421原子)







 F358263  m358363 a358263

©DELL
©DELL
©DELL

©Intel■分⼦シミュレーションは、物質情報学（マテリアルズ･インフォマティクス（MI））の⼤きな武器︕
・今⽇、コンピュータ・シミュレー
ションは、理論、実験に次ぐ“第三の科学”とみなされている。
・分⼦シミュレーションは、普通の実験に対して、「計算機実験」と呼ばれたり、「計算科学」と呼ばれたりする。

名古屋大学
情報基盤センター

スーパーコンピュータ「不老」（大規模分散並列型演算サーバ）
Type I サブシステム： Fujitsu PRIMEHPC FX1000
Type II サブシステム： Fujitsu PRIMERGY CX2570 M5

太田元規先生５．人工タンパク質の設計
公開されているPDBの構造データをもとに作成

タンパク質の構造形成
タンパク質の配列(莫大な）構造空間での最適化問題

立体構造WATASHIHAKAININARITAI..
タンパク質の配列デザイン公開されているPDBの構造データをもとに作成(莫大な）配列空間での最適化問題

・遺伝情報発現とタンパク質の生合成（分子生物学の基礎知識）
・人工タンパク質の（配列）設計をどうやって行うのか
・どういう応用が考えられるのか
・設計事例と未来 （などをお話する予定です）

鈴⽊泰博先⽣
６．DNAコンピュータ
DNA計算とその発展;計算・ナノテク・ロボット

https://condor.depaul.edu/sjost/it130/documents/images/adleman.htm
2024.2.7

Adelman
DNAによるハミルトン経路問題の分⼦実装“nature” Volume 440, Issue7082, 2006

DNA
折り紙

世界初の分⼦ロボットの分⼦実装（新学術領域「分⼦ロボティクス」
東北⼤学 野村ら

７．粘菌コンピュータ
粘菌計算・場による計算©Arthur Winfree / Sciene Photo Libraryhttps://life.sci.hokudai.ac.jp/mf/keywords-for-learning/k420 2024.2.9

興奮場における計算
興奮場における計算
Belousov Zhabotinsky反応 真性粘菌

粘菌計算による単点、多点 粘菌による計算機
最短経路探索 (中垣・北⼤) ⻘野・慶⼤

Logo

例題

ビッグナンバー“アボガドロ数”
を体感しよう︕その壱“いま仮に、コップ⼀杯の⽔（180 ｍL）の分⼦にすべて⽬印をつけることができたとします。次にこのコップの中の⽔を海に注ぎ、海を⼗分にかきまわして、この⽬印のついた分⼦が七つの海にくまなく⼀様にゆきわたるようにしたとします。もし、そこで海の中のお好みの場所から⽔をコップ⼀杯汲んだとすると、その中には⽬印をつけた分⼦が”⼊っているであろうか︖ ⼊っているとしたら何個ぐらいであろうか。
TACTの「インフォマティックス４」の「⼩テスト」に、予想する個数を記せ︕「生命とは何か ー物理的にみた生細胞ー」シュレーディンガー、岡小天・鎮目恭夫（訳）、岩波文庫、 2008

6.0×1023 個