新たな量子化学計算の可能性を切り開く共同研究の成果

量子化学計算の新展開

共同研究の背景

近年、量子コンピュータは分子の電子状態に基づく高精度な量子化学計算においてその能力が注目されています。特に、分子の反応性や物性情報を把握するために、基底状態の特定が重要であり、これが新素材の開発につながると期待されています。しかし、量子コンピュータにおける「初期状態準備」は依然として大きな課題の一つです。古典コンピュータでは計算負荷が高まるため、効率的なリソースの配分が求められています。

研究成果の要点

このたび、株式会社Quemix、トヨタ自動車、豊田中央研究所、東京大学が共同で実施した研究成果は、古典コンピュータと量子コンピュータの効率的なタスク分散に関する新しい指針を示しました。具体的には、密度行列繰り込み群法（DMRG）と確率的虚時間発展法（PITE®）を組み合わせ、両者の強みを最大限に引き出す方法を実証しました。

初期状態準備の課題

量子コンピュータの利用では、良い初期状態の準備が何よりも重要です。しかし、古典コンピュータ側で良い初期状態を求めること自体が、システムが大きくなるにつれて計算負荷が指数関数的に増えることが問題視されています。また、量子コンピュータ上にエンコードする際にも巨額な計算コストがかかります。この研究では、古典コンピュータと量子コンピュータの役割分担を明確にすることで、初期状態準備の負担を軽減できる可能性を示しました。

実証実験の結果

研究チームは、一つの計算問題に対して、古典コンピュータでどの程度まで準備し、また量子コンピュータに何を委ねるかを明確にしました。具体的には、古典コンピュータでの高精度な計算手法（DMRG）を適用し、できる限り基底状態に近づけた後、その情報を量子回路にエンコードし、PITE®に引き継ぐ流れを形成しました。このようにして両者の結合によって、従来の方法よりも格段に効率良く基底状態を抽出できることが示されました。

研究の意義

本研究は、量子コンピュータが強力であるにもかかわらず、初期状態が不十分であればその効果が薄れてしまうことを再確認させるものとなりました。今後の量子化学計算の実用化を見込んで、古典と量子の計算資源をいかに効果的に配分するかについて実務的な指針を提供した意義は大きいと言えるでしょう。

今後の展望

Quemixは今後も、量子化学計算の新たな進展に向けてアルゴリズム開発を加速させ、材料開発を通じて社会的な課題解決に寄与していくことを目指しています。また、共同研究の成果は2026年に東京で開催される量子技術の国際カンファレンス「Q2B 2026 Tokyo」にて発表予定です。これにより、さらなる研究成果の波及を期待しています。