ロッキード・マーティンとIBMは、サンプルベースの量子対角化（SQD）を用いてメチレン（CH₂）の電子構造をシミュレートし、開殻分子に対するSQDの初めての適用となりました。この共同研究は、古典的な計算化学では扱いが困難な強相関系のモデル化が可能なSQDが、近い将来の量子優位性の有力候補であることを示しています。
この研究で、チームは燃焼や大気化学に関連する開殻二重ラジカルであるCH₂の一重項状態と三重項状態をシミュレートしました。ハイブリッド量子中心のスーパーコンピューティング環境内でIBMの52量子ビットプロセッサを使用し、実験あたり最大3,000の2量子ビットゲートを実行しました。SQD計算は、古典的な選択配置間相互作用（SCI）のベンチマークと密接に一致する結果を示し、正確な解離エネルギーと一重項-三重項ギャップを導き出しました。
CH₂のような開殻分子は、不対電子と複雑な電子相関を示し、高いリソース要件のため古典的なモデル化が困難です。SQDアプローチは、完全な波動関数の再構成を避け、サンプリングされた期待値に依存することで、量子固有の電子のもつれを活用しながら計算オーバーヘッドを削減します。
この概念実証研究は、量子シミュレーションが理想化されたケースを超えて実際の化学系に対応できることを示しています。CH₂の電子遷移の正確な予測は、燃焼反応動力学、分子センシング、航空宇宙材料設計などの分野における将来の量子活用モデリングの基礎を築きます。
背景
本研究で用いられた「開殻分子」とは、不対電子を持つ分子のことです。通常の分子では電子が対をなしていますが、開殻分子では電子が1つずつ残っているため、電子間の相互作用が複雑になり、古典的なコンピュータでのシミュレーションが困難な場合が多いです。
また、「強相関系」とは、電子同士が互いの動きに強く影響し合う状態を指します。このような系では、電子を独立して扱う近似が成り立たず、正確な計算には高い計算リソースが必要となります。
さらに、「量子固有の電子のもつれ」とは、量子力学特有の現象で、複数の電子の状態が互いに密接に関連し合っている状態です。本研究の手法であるSQDは、このもつれを活用しつつ、完全な波動関数の再構成を避けることで、計算オーバーヘッドを削減する仕組みを持っています。これにより、従来の方法では扱いが難しかった化学系のモデル化が可能になると期待されています。
関連する記事として量子化学計算を軽量化する「SQD対応の回路圧縮」— 精度を保ったまま最大33倍の高速化、クリーブランド・クリニックとIBMがタンパク質シミュレーションのための量子ワークフローを実装、IBM、マルチモダリティ量子ロードマップ拡大に向けHRL Laboratoriesの買収を完了もあわせてご覧ください。
2025年5月29日
