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 量子コンピューターのビジネス応用としては、金融分野でのリスク計算や量子化学シミュレーションによる材料などの開発、組み合わせ最適化の物流などへの適用が期待されている。今回は日本の化学メーカーによる取り組みなどを紹介しよう。

量子化学計算で素材・材料開発のプロセスを変える

 量子コンピューターは新たな素材や材料、薬品などの開発への応用が期待できる。化学反応は原子同士の結合や切断、あるいは分子が電子を放出したり取り込んだりする量子の世界での事象であり、量子力学に基づき計算する量子コンピューターと相性がよいとされているためだ。日本でも化学メーカーを中心とした複数の企業が、化学反応のシミュレーションや物性の予測に量子コンピューターの活用を模索している。

 完全な量子コンピューターが完成すると、材料開発のプロセスが塗り変わる可能性がある。存在し得る膨大な分子構造から候補を見つけ出して特性を予測し、製造方法を開発するといったプロセスは現在、研究者の経験と勘や、地道な実験が支えている。量子コンピューターを活用したシミュレーションが実用化すれば、大幅な効率化が期待できる。

材料開発に量子コンピューターを応用できる領域
材料開発に量子コンピューターを応用できる領域
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 「現状の量子コンピューターはまだ計算精度が足りず、シミュレーションできる化学現象も限られている。しかしもし高精度化できれば、材料開発のスピードが大きく上がると考えている」。JSRマテリアルズ・インフォマティクス推進室の大西裕也次長は、将来的な量子化学計算のビジネス応用への期待を語る。材料の開発過程においては、毒性や爆発性を持つ物質を扱う実験も多い。「量子コンピューターによるシミュレーションで本当に実験する価値があるか見極められれば、環境や人体への負荷を低減できる」(大西次長)とみる。

 物性や化学反応の予測には物質の電子状態を知る必要があり、電子状態はシュレーディンガー方程式を解いて求められる。シュレーディンガー方程式を厳密に解くには膨大な計算量が必要となる。そのため現行方式のコンピューターでは、精度を落として近似的な解を求めたり、分子構造の中で化学反応に関係が深そうな部分に絞って計算したりといった妥協的な手法を用いる。もし量子コンピューターで厳密にシュレーディンガー方程式を解ければ、複雑な分子構造を持った物質のシミュレーションの精度を飛躍的に高められる可能性がある。

 JSRは「量子化学計算に求められる精度要求は高い。ノイズが多く量子ビット数が少ないNISQ(Noisy Intermediate Scale Quantum)では、意味のある解を得るのは極めて難しい」(同)とみており、誤り耐性量子コンピューターを見据えた研究に力を入れる。

 具体的な研究の一例として「量子ゲートのデザインで量子ビット1つひとつの表現の幅を広げる研究を進めている」(同)。従来の量子ゲートではうまく使えていなかった実数と虚数を合わせた複素数領域を使うことで、量子ビット情報の射影空間である「ブロッホ球」上のあらゆる面を表現できるようにする。量子ビットの表現の幅が広がると、物質が安定するエネルギーが最も低い状態を見つけられる確率が上がるという。