[論文レビュー] Quantum Information and Computation for Chemistry

J. Olson, Yudong Cao+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Various Chemistry Research TopicsChemistry被引用数 18

ひとこと要約

このNSFワークショップレポートは、量子情報科学と化学の交差点における最新の進展と今後の課題を要約し、量子コンピューティングが化学シミュレーションをどのように変革できるか、また化学系がどのように量子技術の発展を促進できるかを強調している。理論、アルゴリズム、実験的手法の分野における主な連携を、量子化学、材料科学、量子情報工学の分野で明らかにしている。

ABSTRACT

The NSF Workshop in Quantum Information and Computation for Chemistry assembled experts from directly quantum-oriented fields such as algorithms, chemistry, machine learning, optics, simulation, and metrology, as well as experts in related fields such as condensed matter physics, biochemistry, physical chemistry, inorganic and organic chemistry, and spectroscopy. The goal of the workshop was to summarize recent progress in research at the interface of quantum information science and chemistry as well as to discuss the promising research challenges and opportunities in the field. Furthermore, the workshop hoped to identify target areas where cross fertilization among these fields would result in the largest payoff for developments in theory, algorithms, and experimental techniques. The ideas can be broadly categorized in two distinct areas of research that obviously have interactions and are not separated cleanly. The first area is quantum information for chemistry, or how quantum information tools, both experimental and theoretical can aid in our understanding of a wide range of problems pertaining to chemistry. The second area is chemistry for quantum information, which aims to discuss the several aspects where research in the chemical sciences can aid progress in quantum information science and technology. The results of the workshop are summarized in this report.

研究の動機と目的

• 量子情報科学の化学的問題への応用に関する最近の進展を要約すること、特に量子シミュレーションとアルゴリズム開発を含む。
• 量子情報と化学の境界領域における高インパクトな研究課題を特定すること。
• 理論、アルゴリズム、実験的手法の分野におけるイノベーションを加速するために、量子情報科学者と化学者との間の横断的協働を促進すること。
• 化学系が、キュービットや量子センサーなどの量子技術の開発にどのように貢献できるかを検討すること。
• 学術的および技術的成果が最大限に得られる分野を特定し、将来の研究方向性を明確にすること。

提案手法

• 量子情報、化学、機械学習、光学、計測学の分野の専門家を招いた多分野融合型ワークショップを実施した。
• 分子系の量子シミュレーション分野における理論的・実験的進展の知見を統合した。
• 電子構造計算のための量子アルゴリズム、特に変分量子固有状態法（VQE）と量子位相推定法の評価を行った。
• 量子センサーと量子計測学の化学的測定および分光法における役割を検討した。
• 量子情報処理のプラットフォームとして有望な素材や分子系を同定した。
• 量子情報科学者と化学者との対話を促進し、研究目標の一致と技術移転の加速を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子アルゴリズムは、量子化学における電子構造計算の精度と効率をどのように向上させることができるか？
• RQ2 近い将来の量子デバイスで解ける最も有望な量子化学的問題は何か？
• RQ3 分子系や化学的材料は、スケーラブルな量子情報処理のプラットフォームとしてどのように機能できるか？
• RQ4 実用的な量子優位性を化学的シミュレーションで実現するために克服すべき理論的・実験的課題は何か？
• RQ5 量子センシングと計測技術は、化学的および生体分子的測定の精度をどのように向上させられるか？

主な発見

• VQE や量子位相推定法などの量子アルゴリズムは、分子の電子構造を高い精度でシミュレートする強力な可能性を示している。
• 近い将来の量子デバイスは、すでに小規模な分子系を扱うことができるが、スケーラビリティはエラー低減およびエラー訂正技術の進展に依存する。
• 分子や材料系は、キュービットや量子センサーの実装に適したプラットフォームを提供している。
• 量子化学と量子情報科学の分野において、理論、アルゴリズム、実験的実装のギャップを埋めるために、横断的協働が不可欠である。
• 量子計測学およびセンシング技術は、化学系における分光的測定の分解能と感度を顕著に向上させることができる。
• ワークショップでは、触媒、エネルギー材料、ドラッグディスカバリ分野で、量子情報ツールが画期的な発見を可能にする可能性のある数々の研究分野を特定した。