新素材の研究開発を加速させる

量子コンピュータ技術への可能性
The promise for quantum computer technology to accelerate research anddevelopment of new materials

旭化成株式会社 インフォマティクス推進センター センター長 青柳 岳司
株式会社Quemix 研究開発部 部長 西 紘史

1西 紘史Hirofumi Nishi

株式会社Quemix 研究開発部 部長
Quemix Inc. Director, Research & Development

東京大学 理学系研究科 特任研究員
Project researcher, Department of physics, The university of Tokyo

About Quemix / QuemixとはQuemixは量子ソフトウェアテクノロジーのスタートアップ企業です。

私たちは、量子技術のエキスパートであり続け、時代をリードする企業のブレークスルーを実現し、人類が夢見た未来を実現します。
Quemix is a quantum software technology startup. We remain experts in quantumtechnology, achieve breakthroughs leading the era, and realize the future humanity
has dreamed of.

Copyright © 2024 Quemix Inc. All Rights Reserved3Challenging of current quantum computer/現時点における量子計算機技術への挑戦

雑音あり中規模量子デバイス(NISQ)時代・・・量子計算結果は古典的にシミュレーションするのが困難
Noisy intermediate scale quantum (NISQ) era・・・Quantum simulation results are classically hard to simulate

Google’s 54 qubits processor

IBM’s 127 qubits processor

Task: sampling

Task: Ising Hamiltonian simulation

Arute et al., Nature 574, 505 (2019).

Kim et al., Nature 618, 500 (2023).

Copyright © 2024 Quemix Inc. All Rights Reserved4Challenging of current quantum computer/現時点における量子計算機技術への挑戦

ハードウェアは有用なNISQ、早期FTQC、FTQCに向けて着実に進展している
HW is advancing step by step for useful NISQ, early FTQC, and FTQC.

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O. Exratty, arXiv:2303.15547 (2023).

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Probabilistic Imaginary-Time Evolution method: PITE®/確率的虚時間発展法
PITEは、FTQC時代の向けて設計された、多体ハミルトニアンのソルバーである
PITEは、古典計算機による最適化と、最適化のための多数の観測が不要な非変分的な方法
計算量の解析から量子加速することを確認

PITE is a solver for many-body Hamiltonian, designed toward FTQC era.
PITE is a non-variational method that does not require classical optimization.
Confirmed that the quantum acceleration occurs from resource analysis.

Kosugi, Nishiya, Nishi and Matsushita, Phys. Rev. Res. 4, 033121 (2022).
Nishi, Kosugi, Nishiya, and Matsushita, Phys. Rev Res. 6, L022041 (2024).
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6Application of PITE®/PITE®の応用

Material science/材料科学◼ Crystal structure prediction/結晶構造予測
Kosugi et al., npj Quantum Information 9, 112 (2023).

◼ Linear response function/線形応答関数
Kosugi et al., PRA 101, 012330 (2020).
Kosugi et al., PRR 2, 033043 (2020).

CAE◼ Advection diffusion eq.
/移流拡散方程式

Central absorption (upper)/中心部吸収（上）Local creation & absorption(lower)/ 局所生成・吸収（下）◼ Electrons under magnetic field/磁場中の電子
Kosugi et al., JJAP 62, 062004 (2023).
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In preparation/鋭意製作中
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青柳 岳司
Takeshi Aoyagi

旭化成株式会社
Asahi Kasei Corp.

インフォマティクス推進センター センター長
Informatics Promotion Center, Directoｒ

旭化成株式会社概要/Asahi Kasei Corporate Profile

社名／Trade name

社長／President

旭化成株式会社

工藤 幸四郎Asahi Kasei Corp.

Koshiro Kudo

本社／Head office

資本金／Paid-in capital*

東京都千代田区1,034億円

Tokyo, Japan¥103.4 billion

創業／Founding

従業員（連結） Employees(consolidated)*

1922年

49,295人

2023年度業績（連結）Fiscal 2023 results (consolidated)*

売上高

2兆7,849億円

Net sales¥2,784.9 billion

営業利益1,407億円•

2024年3月末時点

As of March 31, 2024

東京本社（日比谷）
Head Office

Operating income ¥140.7 billion
9事業体制／Corporate Configuration
旭化成グループは、事業持株会社である旭化成と、7つの事業会社を中核に、「マテリアル」「住宅」「ヘルスケア」の3領域で事業を展開している総合化学メーカーです。
Centered on the operating holding company Asahi Kasei Corp. and seven core operatingcompanies, the Asahi Kasei Group is a diversified global manufacturer with three businesssectors of Material, Homes, and Health Care
旭化成株式会社／Asahi Kasei Corporation

持株機能／Holding company function

旭化成ファーマ株式会社
事業機能／Operating function

環境ソリューション事業
Environmental Solutions
モビリティ&インダストリアル事業
Mobility & Industrial
ライフイノベーション事業
Life Innovation

旭化成エレクトロニクス株式会社
Asahi Kasei Microdevices Corp.

Asahi Kasei Pharma Corp.
医薬事業／Pharmaceuticals

旭化成ホームズ株式会社
住宅事業／Homes

旭化成メディカル株式会社
Asahi Kasei Medical Co., Ltd.

旭化成建材株式会社

ZOLL Medical Corporation

Asahi Kasei Construction Materials Corp.

クリティカルケア事業／Acute Critical Care

Asahi Kasei Homes Corp.

建材事業／Construction Materials

医療事業／Medical Care

Veloxis Pharmaceuticals, Inc.
医薬事業／Pharmaceuticals

マテリアル領域／Material

住宅領域／Homes

ヘルスケア領域／Health Care10

マテリアル事業 主要製品例 / Examples of Main Products

アクリロニトリル
Acrylonitrile

ハイポア ・セルガード®
Hipore and Celgard

FH2R アルカリ水電解槽
Alkaline water electrolysis
system at FH2R

人工皮革Dinamica®
Dinamica artificial suede

サランラップ®
Saran Wrap ®

オーディオ・ボイス向けLSI
LSIs for audio & voice11

最近のR&Dトピックス1／Recent R&D Topics1

https://www.asahi-kasei.com/jp/news/2024/ze240607.html

12

最近のR&Dトピックス2／Recent R&D Topics2

https://www.asahi-kasei.com/jp/news/2024/ze240612.html

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サイバー材料設計を目指した取り組みの例
Examples of the study for cyber space material design➢ 材料データベースの拡充
Materials database➢ ハイスループットシミュレーション

High-throughput simulation➢ 高度MIツール
Advanced MI tools➢ 高分子物性自動計算システム

Automated calculation of polymer properties➢ ニューラルネットワークポテンシャル
Neural network potential➢ 高分子インフォマティクスプラットフォーム
Polymer informatics product➢ 量子コンピューター技術調査 Quantum Computer Technology Survey➢ 組み合わせ最適化 Combination Quantum Optimization➢ 量子機械学習 Machine learning➢ 量子化学 Quantum Chemistry14量子機械学習の取り組み事例
Example of the study for Quantum Machine Learning（’22/11/8）

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Joint research with Asahi-Kasei
研究テーマ報告16

Target material: wide-gap semiconductor /ターゲット物質: ワイドギャップ半導体◼ 低エネルギー消費のためのパワーデバイス◼ 5G・6G世代に向けた高周波デバイス

Power devices for low power consumptionRF

Devices for 5G/6G technologies◼ 消毒用のUV・UV-C LED (例：コロナウイルス)UV/UV-C LED for disinfection (e.g. COVID-19)

Silicon Carbide

Aluminum Nitride

Eg = 3.3 eV

Eg = 6.0 eV

https://www.rohm.co.jp/news-detail?newstitle=2020-0617_news_4gsic&defaultGroupId=false

https://www.asahikasei.com/news/2022/e221005.html

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Diamond
Eg = 5.5 eV

https://newatlas.com/electronics/2inch-diamond-wafers-quantum-memorybillion-blu-rays/17

Defects in wide-gap semiconductor/ワイドギャップ半導体中の欠陥
結晶中の欠陥は一般的にはデバイスの性能を悪化させる。一方で、量子センサのような欠陥は新規機能を創発する。
Defects in a crystals generally worsen the device performance.
On the other hand, defects emerges new function such as quantum sensor

Defect as a device killer

Defect as a qubit/デバイスキラーとしての欠陥/量子ビットとしての欠陥/NV-center
Kobayashi, Matsushita et al., APE 13, 091003 (2020).

https://www.qst.go.jp/site/iqls/29442.html

Copyright © 2024 Quemix Inc. All Rights Reserved18

Quantum sensing/量子センシングダイヤモンド中のNVセンター近傍にスピンが局在して小さな磁石（原子レベルのコンパス）のように振る舞う。
量子センシングは磁場に対する高い感度と室温動作可能という特徴を有する。

AlNにおいてもNV中心ダイヤモンドと同様に欠陥を導入することで新しい機能の創発が可能と期待される。
Spin localized near the NV-center behaves like a small magnet (atomic-level compass).
Quantum sensing exhibits high-sensitivity and room temperature operation.
The introduction of defects can generate new functions in AlN, as in NV-center.

[111]

NC/NV-center
Aslam et al., Nat. Rev. Phys. 5, 157 (2023).
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19Limitation of density functional theory (DFT)/DFTの限界
半導体に対して、DFTは多くの成功を収めた最もスタンダードな手法。
一方で、ワイドギャップ半導体中のスピン量子ビットの記述は難しい。
For semiconductors, DFT is the most standard and successful method.Difficult to correctly describe thespin qubit in wide-gap semiconductors.

単一のスレーター行列式で表されるスピン三重項状態(S=1) ⇒ DFTは良い
複数のスレーター行列式で表されるスピン一重項状態(S=0) ⇒ DFTの精度悪化
Spin triplet states (S=1) is described by single Slater ⇒ DFT works well
Spin singlet states (S=0) is described by multiple Slaters ⇒ DFT does NOT work

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Ab-initio downfolding method/第一原理ダウンフォールディング法
課題：計算モデル(結晶中の欠陥)は量子コンピュータにとっては大きすぎる解決策：計算モデルから本質的に難しい部分（有効模型）のみを切り出し、その難しい部分だけを量子コンピュータで解く
Problem: Computational model (defects in crystal) is too BIG for QC.
Solution: Cut out only intrinsically difficult part (called effective model) from the computational model, and use a QC
to solve only that difficult part.

（従来法でも精度よく扱える）簡単な部分
Easy part (can be handled with conventional)

結晶中でスピン量子ビット状態は孤立して存在⇒結晶の影響を遮蔽効果としてスピンに繰り込む
Spin qubit is isolated in crystal⇒Renormalize effect of crystal to spin qubit

注記：正しくはエネルギー空間で定式化
Note: formulated as energy space correctly

本質的に難しい部分（有効模型）
Difficult part (effective model)

Screening effect/遮蔽効果

Aryasetiawan, Imada et al., Phys. Rev. B 70, 195104 (2004).

Copyright © 2024 Quemix Inc. All Rights Reserved21

Simulation of spin qubit/スピン量子ビットのシミュレーション

ファインマンの言った通り、量子計算機を使って量子系（スピン量子ビット）のシミュレーションを行う
Simulate quantum system (spin qubit) using quantum computer as Feynman said

「自然は古典的ではありません。もし自然のシミュレーションをしたいのであれば、量子力学的にする必要があります。」“nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation ofnature, you'd better make it quantum mechanical”

Feynman, International journal of theoretical physics, 21, 467, (1982).
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22Quantum Error Detection (QED)/量子誤り検出
FTQC時代に向けた第一歩として、QEDをPITEに実装
As a first step toward FTQC era, we implemented QED on PITE
Quantum Error Correction/量子誤り訂正
Quantum Error Detection/量子誤り検出
Logical qubits/論理量子ビット
Data qubits/データビット(k qubits)
RedundancyQubits/冗長ビット(m qubits)

Encode/符号化

Syndrome meas.
/シンドローム測定

Gate/ゲート

ERROR

g1

・・・

H
Ancilla qubits/補助ビットRecover/復元

gmM・・・

HM
Classical data/古典データ

Copyright © 2024 Quemix Inc. All Rights Reserved23Trapped-ion quantum computerクオンティニュアムH1-1量子計算機の特徴は、QEDとPITEにとって望ましい。
Feature of Quantinuum H1-1 quantum computer, suitable for QED & PITE

99.9%の高い二量子ゲート忠実度 High fidelity two-qubit gates, 99.9%

全結合 All-to-all connectivity
回路中間測定と再利用 Mid-circuit measurement and reuse

No. qubits/量子ビット数

Quantum volume/量子体積Single qubit gate fidelity/単一量子ゲート忠実度

Two qubit gate fidelity/二量子ゲート忠実度

20
220
99.9979(3) %99.914(3) %Copyright © 2024 Quemix Inc. All Rights Reserved

https://www.quantinuum.com/hardware/h124

Quantum circuit for encoded PITE/符号化されたPITEの量子回路
RepeatDetection

シンドローム測定とPITEの補助ビット測定で、中間回路測定と再利用
Mid-circuit measurement & Reuse @ Syndrome meas. & PITE-ancillaqubit meas.
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Results: spin singlet state of ZrAlVN in w-AlN
PITE®により、現在のイオントラップ量子コンピュータが基底・励起状態を理想的なFTQCの結果と比較して98%の精度で取得
Using PITE🄬, present trapped-ion quantum computer provides ground and excited state with 98% accuracy
compared to ideal FTQC results.

Ground state/基底状態

Excited state/励起状態

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26Summary of joint research with Asahi-Kasei/研究テーマ報告のまとめ

FTQC時代への第一歩として、実機上にQED付きのPITEを実装。
結晶中の欠陥という問題に対処するために、低エネルギー有効模型を構築。
窒化アルミニウム中の欠陥が量子センサーとしての高い潜在性を示すことが分かった。
As a first step for FTQC era, we implemented PITE with QED on a real device.
Constructed a low-energy effective model to address defects in a crystal.

Defects in AlN exhibits high potential for quantum sensor.

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27

Concluding remarks
さいごに28

量子コンピューターへの期待 Expectations for Quantum Computer
技術への期待業界への期待Expectations for Technology

Expectations for the Industry

誤り耐性
Fault-tolerance
量子ビット数
Number of Qubitアルゴリズム／ソフトウェア
Algorithm/Software

的確な情報をタイムリーに提供いただけるパートナーの存在
Partners who can provide
timely and accurateinformation

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Acknowledgement/御礼

FTQCに向けた共同での研究を一緒に進めていただき、旭化成様に心より感謝いたしますWe appreciate innovative attempt of Asahi-Kasei.

Copyright © 2024 Quemix Inc. All Rights Reserved30

Acknowledgement /御礼

量子コンピュータの計算資源を提供していただき、クオンティニュアム様と三井物産様に心より感謝いたします。
We appreciate Quantinuum and Mitsui & Co., Ltd. for your computational support.

Copyright © 2024 Quemix Inc. All Rights Reserved31量子のチカラで、ともに未来を創ろう。