市大,量子コンピュータでイオン化エネルギー算出

大阪市立大学は,量子コンピューターを用いてスピン量子数が異なる電子状態(スピン状態)間のエネルギー差を直接計算できる量子アルゴリズムを改良し,量子コンピューター実機に実装しやすくするとともに,中性原子・分子が電子を放出してイオンとなるために必要なエネルギーであるイオン化エネルギーの直接計算へと応用した(ニュースリリース)。

原子・分子のエネルギーを理論的に求め,電子状態を明らかにする量子化学計算は量子コンピューターの近い将来の計算ターゲットとして注目されている。

研究グループは最近,スピン量子数が異なる電子状態(スピン状態)間のエネルギー差を直接計算することができる量子アルゴリズムを開発した。この量子アルゴリズムはこれまで知られていた量子位相推定と呼ばれる量子アルゴリズムよりも量子論理回路(量子サーキット)が短く,量子コンピューターへの実装が容易だが,必要な量子ビット数が量子位相推定の2倍程度に増えてしまうという欠点があった。

今回,研究グループは実装に必要な量子ビット数を量子位相推定と同程度まで削減することに成功した。また,この量子アルゴリズムを原子・分子が電子を放出してイオンとなるために必要なエネルギーであるイオン化エネルギーの直接計算へと応用した。

イオン化エネルギーは原子・分子の最も基本的な物性値の1つであり,化学結合の強さや性質、化学反応を理解するための重要な指標にもなる。従来はイオン化エネルギーを求めるには中性状態とイオン化状態それぞれのエネルギーを計算する必要があったが,この量子アルゴリズムを使えばイオン化エネルギーを一回の計算で求めることができる。

量子論理回路の数値シミュレーションから,イオン化エネルギー計算値の読み出しにかかる計算コストは原子番号や分子サイズに依存せず一定となること,量子論理回路の長さが量子位相推定の10分の1以下でイオン化エネルギーを0.1eVの高精度で求められることを明らかにした。

これまでに報告されている量子化学計算のための量子アルゴリズムのほとんどは,全エネルギーを求めるように設計されているため,大きな分子の小さなエネルギー差を正確に求めることが難しかった。今回開発した手法はエネルギー差を直接計算できるので,大きな分子の計算が格段に容易になる。

この手法は従来のコンピューターに対して計算速度の指数関数的な加速が保証されている。現在利用可能な量子コンピューターはノイズの影響が大きく,長い量子論理回路を正確
に実行することが困難だが,量子コンピューターハードウェアの発展により,従来のコンピューターでは現実時間内に計算ができないような大きな分子の高精度計算が,この量子アルゴリズムを用いて実行できるようになることが期待されるとしている。

その他関連ニュース

  • NICTら,シリコンで窒化物超伝導量子ビットを開発 2021年09月21日
  • 市大,省コストな量子化学計算アルゴリズムを開発 2021年09月03日
  • 阪大ら,3個以上のスピンが揃った多電子を読出し 2021年08月23日
  • 名市大ら,シリコン材料に量子もつれ状態を発見 2021年08月16日
  • 京大ら,量子コンピューターを実現する粒子を解明 2021年08月02日
  • 阪大,最大規模の量子機械学習を実現 2021年06月09日
  • 理研,シリコン3量子ビットを実現 2021年06月08日
  • 三菱ケミら,有機EL材料の励起状態を量子計算 2021年05月26日