富士フイルムなど、材料開発の期間短縮が見込める量子コンピュータ向けワークフロー

富士フイルムと慶應義塾大学、blueqatは、分子量が小さい分子に加え、大きい分子の量子化学計算にも広く適用できるという、エラー耐性量子コンピュータ向けのワークフローを開発したと12月5日に発表。ベンゼンなど3種類の分子でワークフローの妥当性を実証した。このワークフローは、従来のコンピュータによる材料開発に要する期間を大幅に短縮することが期待されているという。

富士フイルムと慶應義塾大学、blueqatによる研究で提案している、量子コンピュータ上での量子化学計算ワークフロー

エラー耐性量子コンピュータは、外界からのさまざまな影響を受け、計算過程で生じてしまう誤り(量子エラー)を訂正する仕組みを取り入れた量子コンピュータ。材料開発における分子の物性予測など、従来のコンピュータでは膨大な時間を要する計算を短時間で正確に実行できると考えられており、実用化が期待される。

特に、分子の重要な物性を明らかにする計算手法である「量子化学計算」をエラー耐性量子コンピュータで行うことで、分子や固体材料の電子構造や反応性をきわめて高速かつ高精度でシミュレーションできるとされ、これを用いた量子化学計算の適用に注目が集まっている。

現在、水素や水など小さな分子を対象とする量子化学計算の実証が進んでいるが、エラー耐性量子コンピュータによる量子化学計算の実用化には、量子ビットが計算時に発生させるエラーを訂正する技術の開発に加えて、膨大な計算を少ない量子ビットで効率的に実行するワークフローや、分子量が大きい分子の化学計算にも広く適用できる汎用性の高いワークフローなどの技術開発が求められる。

今回、富士フイルムと慶大、blueqatは、分子量が小さい分子に加え、大きい分子の量子化学計算にも広く適用できるエラー耐性量子コンピュータ向けワークフローを開発。富士フイルムとblueqatが最先端のGPUを用いて構築した量子シミュレータによる計算環境において、富士フイルムと慶大がエラー訂正量子コンピュータ向けのアルゴリズムを開発・実装したことで実現したものだという。

新たに開発した、分子の物性に大きく影響する電子状態を選択・計算可能な形式に変換する量子回路と、反復的量子位相推定を用いたアルゴリズムを採用。これにより、分子量が大きい分子の量子化学計算を、少ない計算量かつ少ない量子ビット・量子ゲート数で実現できるという。

この研究成果は、国際学術誌『Physical Chemistry Chemical Physics』(オンライン版)に掲載されている。