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2025-05-23 11:01:00
IBMとLockheed Martinの研究者は、高性能コンピューティングをQuantum Computingで組み合わせて、長年にわたって古典的なコンピューティングのハードルであった「オープンシェル」分子の電子構造であるメチレンを正確にモデル化しました。これは、オープンシェルシステムに対するサンプルベースの量子斜め化（SQD）手法の最初のデモンストレーションであると、プレスリリースは述べています。
Quantum Computingは、今日の最速のスーパーコンピューターでさえも想像を絶する速度での計算を約束するものであり、コンピューティングの次のフロンティアです。分子の量子状態を量子ビットとして機能させるために、これらのコンピューターは、人類が過去にアクセスした計算能力に優先し、新しい研究分野を開きます。
量子化学は、分子間の相互作用を理解することで、産業用途向けのより効率的なプロセスと物質研究の設計に役立つ、関心のある分野の1つです。ただし、強力な電子相関を含む化学システムは、高性能コンピューティングプラットフォームであっても、シミュレートするのが非常に困難です。
オープンシェルシステムの課題
強力な電子相関で化学システムをシミュレートするために使用される古典的な近似方法が存在します。ただし、システムに関連する計算コストは、関与する電子の数とともに指数関数的に増加します。
エネルギー状態の理解と、ある状態から別の状態への分子の移行が、化学の理解に不可欠です。そうすることで、科学者は反応性と触媒との相互作用を予測したり、励起状態を活用してセンシングや航空宇宙用途などを実行する方法を予測できます。
これらのシミュレーションの課題は、分子に1つ以上の対応のない電子が含まれる「オープンシェルシステム」でさらに高くなります。電子が軌道でペアになり、シンプルで安定した波動関数を持つ閉じたシェルのカウンターパートとは異なり、オープンシェル分子は非常に反応性があり、磁気特性を示し、複雑さをキャプチャするために複数の波動関数が必要です。
IBMとロッキードマーティンの研究者は、そのようなオープンシェル分子の1つであるメチレンの反応性を理解することに特に興味があり、高性能と量子コンピューティングの組み合わせを使用して検査しました。
メチレン分子のエネルギー状態の違い。画像クレジット： IBM
なぜチームはメチレンを研究したのですか？
メチレン（CH2）は3つの原子で構成されていますが、本質的には非常に複雑です。その基底状態では、分子は、炭素原子の外側シェルが平行スピンを持つ2つの対応のない電子で構成されているトリプレット電子構造を採用しています。これは非常にエネルギッシュな状態であり、分子は一般的にその中には見られません。
分子には、炭素原子の2つの電子が反対側のスピンとペアになり、1つの軌道が空になっているカルベンシングレット状態と呼ばれる最初の励起状態があります。トリプレット状態では、2つの電子は同じ方向にスピンで出身です。これは、分子の三重項状態が一重項状態よりも低いまれな発生につながります。
科学者が化学反応で分子がどのように相互作用するかを予測できるため、シングレットトリプレット状態間のエネルギーの違いは重要です。 IBMの量子中心のスーパーコンピューティングフレームワークを使用して、高性能コンピューティングと量子プロセッサを組み合わせて、研究者はサンプルベースの量子対角線化（SQD）メソッドを適用し、メチレンのシングレットとトリプレット状態、解離エネルギーとエネルギーギャップを計算しました。
メチレンなどの分子は、航空宇宙と燃焼の化学に重要であり、より良いエンジンの設計に役立つと同時に、量子コンピューティングの現在の応用の実証にも役立ちます。
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