三菱ケミカルグループ(三菱ケミカル)、慶應義塾大学(慶大)、日本IBMの3者は2月9日、慶大量子コンピューティングセンター内にある「IBM Quantum Network Hub」にて、光機能性物質のエネルギーを従来にない正確さで求めるための量子コンピュータを用いた新たな計算手法「制約条件自動調整変分量子固有値法(VQE/AC法)」を開発したことを発表した。

同成果は、三菱ケミカルの高玘氏、同・小林高雄氏、同・菅野志優氏、慶大 理工学部化学科の後町慈生大学院生、同・畑中美穂准教授、同・稲垣泰一助教、IBM Research-Tokyoの中村肇氏らの共同研究チームによるもの。詳細は、新材料の設計と既存材料の理解を深めるための計算アプローチを扱う学術誌「npj Computational Materials」に掲載された。

光機能性物質のさらなる理解と合理的設計を実現するため、光吸収・発光の波長や強度、発光せずに熱失活してしまう確率などを高精度に求めることが必要とされている。これらの量を求めるには、「フランク=コンドン(FC)構造」や「円錐交差(CI)構造」など、各現象が最も起こりやすくなる分子構造における基底状態と励起状態のエネルギーの定量的な計算が不可欠だ。

現在、励起状態の計算には「時間依存密度汎関数(TDDFT)法」が最も広く用いられている。しかし、CI構造のように基底状態と励起状態のエネルギー差がない、または小さい場合、TDDFT法ではエネルギーを正しく求めることができず、その代わりとなる多参照計算方法では、膨大な計算コストがかかるという問題があった。そこで、この問題を解決できる可能性があるとして、現在、量子コンピュータが期待されている。

ただし、量子コンピュータを使って励起状態を計算するにあたっては、配慮すべき部分がある。まず、基底状態と励起状態を表現できる量子回路と励起状態計算を行うためのコスト関数を、適切に設計する必要がある。量子コンピュータによる計算には必ず誤差が含まれるため、それを最小化する量子回路の設計が重要なのだ。また、励起状態計算に適切なコスト関数が分子構造によって異なるため、すべての分子構造に共通して適用可能な計算方法も開発する必要があった。

そこで研究チームは今回、光機能性物質のエネルギーを高い精度で求めるために、(1)スピン多重度を保存する量子回路(スピン保存量子回路)の設計指針と、(2)コスト関数を用いない新しい計算方法を開発することにしたという。