パネルディスカッション分科会C(ナノ・材料)「量子シミュレーションが拓くナノの世界」
平尾 公彦（東京大学）

押山 淳（筑波大学）
寺倉 清之（北海道大学/産総研）
中村 振一郎 （三菱化学）
永瀬 茂（分子科学研究所）
平田 文男（分子科学研究所）

コンピュータ・シミュレーション
過去20年間、コンピュータ・シミュレーション、モデリングの発展はめざましく、科学技術のあらゆる分野で多大な貢献をしてきた。
サイズ
オーダーＮ法
計算負荷がシステムサイズに比例ハイブリッド
本質的な部分だけを量子力学的に時間位相空間探索拡張アンサンブル
Blue moon
metadynamics

最適化
逆問題
設計

粗視化
マルチスケール

self-assemble
capsulation

シミュレーションは従来の理論、実験とは異なる新しvan der Waals
い研究手法を実現し、科電子励起学にブレークスルーをもた光学応答反応制御らすものとして期待されて軽い核の量子効果熱平衡いる。
多体系動力学

精度

電子相関
強相関電子

遷移金属酸化物

有機分子間
有機分子と金属

Quantum Chemistry has come a long way !
P.Diracは「量子力学の出現で、化学の問題の解決に必要な基礎的物理法則は全て分かった」と述べている。原理的に化学が解けたにしても、化学の問題として知りたいことはいくらでもある。
ある有限規模の計算の可能性のなかで、どうしたら化学的精度(kcal/mol)を得るかというのが理論化学者の問題であった。その目的のために、われわれは物理学者とは異なるセンスで、しかし同じような細心さで内容を分析し、理論を作り上げてきた。

ナノシミュレーションの現状と将来自然の懐は深い。多様な自然に比べるとわれわれのシミュレーションは、まだまだかも知れない。
しかし現状でも結構面白いことができる。はっきり定義された問題を解く腕っぷしにかけては実験に決して劣るものではない。シミュレーションは従来の実験、理論とは異なる新しい研究手法を実現し、科学にブレークスルーをもたらすものとして期待されている。謙虚さを失わずに自然に向かえば、シミュレーションはますます魅力ある存在になるであろう。

Nanoscience マルチスケール・マルチフィジックス 学際的領域
物理

自然科学

Material phase

工学

産業

Device phase シミュレーションが大いに力を発揮する世界 周辺領域へのインパクトが大
電池材料

ナノ分野グランドチャレンジ領域の俯瞰と関連
水（溶媒効果）
次世代
エネルギー

分子集合体

物質変換

ナノコンポジット
素子
半導体レーザー

光通信材料
有機半導体

成果が利用される事を想定

ウイルス
ドラッグデリバリ

ミセル
バイオセンサー生体分子分析チップ

ライフサイエンス分野

次世代ナノ統合シミュレーション
ソフトウェアの研究開発

ナノセラミックス細胞
テーラーメイド医療
新規炭素系材料

ドラッグデリバリー

次世代材料

フォトニック結晶

量子コンピュータ
DNAコンピュータ

がん細胞膜

電子
量子力学計算
原子
MO
分子
DFT

ナノチューブ
電子伝導
遷移金属
次世代ULSI化合物
磁気特性
スピントロニクス
固体

次世代
情報機能・材料

次世代ナノ
生体物質

分子認識

タンパク 分子認識
機構
質・複合体

固液界面

水素吸蔵

電界電子放出ディスプレイ

再生医療

分子動力学
自己組織化
RISM
生体膜
触媒反応機構 タンパク質 FMO

高機能イオンバッテリー

フレクシブルディスプレイ

新機能創生

アルコール
（バイオマス） 酵素反応機構燃料電池

風力発電

ナノバーコード

ナノメタル・ナノ合金
機能調和人工格子
ナノガラス

2

次世代スーパーコンピュータへの期待
コンピュータは自然を精緻に観測できる窓
コンピュータは単なる基盤技術ではなく、科学技術の未踏分野、ニューフロンティアを開拓する駆動力
未知の領域への挑戦－ScienceとTechnologyに再び夢を！

電極と量子細線の接合

量子細線

欠陥

量子ドット

Au
V

Si
Vg

パラダイム変換
Wildtype

シミュレーションから実験へ
A92D

Q86D/A92D

現象の解析・予測から新現象の発見へ
ナノの丸め方による金属・半導体制御

金属半導体

物性研・分子研計算機
共同利用

Nano-Bio Simulationの課題
理論開発、アルゴリズム開発

次世代スパコンの重要性
ハードウエア開発との連携

科研費特定領域研究「次世代量子シミュレータ・量子デザイン手法の開発」「実在系の分子理論 」

JST
CREST・さきがけ

ソフトウエア開発の重要性とその戦略コミュニティーの組織化、計算科学分野の教育研究基盤の充実、産学の連携の形態の模索
融合領域（バイオ）、新領域への展開
成果の移転、共有、産業界との連携

コンピュータ・シミュレーション
過去20年間、コンピュータ・シミュレーション、モデリングの発展はめざましく、科学技術のあらゆる分野で多大な貢献をしてきた。
サイズ
オーダーＮ法
計算負荷がシステムサイズに比例ハイブリッド
本質的な部分だけを量子力学的に時間
位相空間探索拡張アンサンブル
Blue moon
metadynamics

最適化
逆問題
設計

粗視化
マルチスケール

self-assemble
capsulation

シミュレーションは従来の理論、実験とは異なる新しvan der Waals
い研究手法を実現し、科電子励起学にブレークスルーをもた光学応答反応制御らすものとして期待されて軽い核の量子効果熱平衡いる。
多体系動力学

精度

電子相関
強相関電子

遷移金属酸化物

有機分子間
有機分子と金属

計算科学センターを！
z 計算科学の教育研究拠点であり、計算科学のコミュニティーの活動拠点
計算科学関連の研究者が集い、知的交流できる場
z 若手研究者が自由闊達に研究できる場
若手、ポストドクトラル中心+プロジェクトリーダー、計算科学、情報科学（できれば数学も）にかかわる研究者
数十名規模
未踏分野にチャレンジ、融合領域の発展
z 現プロジェクトの準備、遂行、次のプロジェクトを見据えた人材育成
z ソフトウエア開発の戦略的拠点
z 10Pスパコンの完成を待たずに、ただちに設立

ナノシミュレーションの将来
自然の懐は深い。多様な自然に比べるとわれわれのシミュレーションは、まだまだかも知れない。
しかし現状でも結構面白いことができる。はっきり定義された問題を解く腕っぷしにかけては実験に決して劣るものではない。シミュレーションは従来の実験、理論とは異なる新しい研究手法を実現し、科学にブレークスルーをもたらすものとして期待されている。謙虚さを失わずに自然に向かえば、シミュレーションはますます魅力ある存在になるであろう。

ナノシミュレーションの将来
自然の懐は深い。多様な自然に比べるとわれわれのシミュレーションは、まだまだかも知れない。
しかし現状でも結構面白いことができる。はっきり定義された問題を解く腕っぷしにかけては実験に決して劣るものではない。シミュレーションは従来の実験、理論とは異なる新しい研究手法を実現し、科学にブレークスルーをもたらすものとして期待されている。謙虚さを失わずに自然に向かえば、シミュレーションはますます魅力ある存在になるであろう。

パネルディスカッション分科会C（ナノ・材料）
ディスカッション••••••

人材について (人材育成など)
スパコンを通じたユーザーコミュニティの形成について
融合領域(バイオなど)、新領域への展開の必要性
産学連携、成果の移転等について結果だけでなくアルゴリズムなどの異分野への展開
実験･理論との関係について (方法論だけでなくデータベースの整備など)• アプリケーションの開発戦略について

(2)パネルディスカッション分科会C(ナノ・材料)
パネラー講演のまとめ••••

ナノ・材料分野は、様々な意味で多階層構造
ナノ・材料分野の向かうところそのために何をすべきか
10PFスーパーコンピュータへの要望

パネルディスカッション分科会C(ナノ・材料)総括•

ナノ・材料分野は、様々な意味で多階層構造– ボーダレスな分野。様々な分野が混在し、それぞれが密接な関わり合い、フィードバックも必要となる分野。 (押山)• 中核的領域(基礎・応用)• 融合的領域(物理・化学・生物)• 応用的領域(バイオ・ライフ・デバイス)– 構造が多様かつ多階層(マルチスケール・マルチフィジックス)である。(全員)– シミュレーションでのみ解明が可能な分野• コンピュータがツール以上の意義を持つ• 新しいサイエンスをも生み出し得る•

ナノ・材料分野の向かうところ– 高機能材料– ダウンサイジング (寺倉)– 各種量子デバイスの複合化 (寺倉)
• 量子材料、量子デバイス、量子プロセッシング、ハイブリッド材料 (押山)– ライフ・バイオ・デバイスなど応用分野へのキーとなる。ひいては社会貢献へ。

パネルディスカッション分科会C(ナノ・材料)総括•

そのために何をすべきか–––––

新規方法論の開発 (量子力学効果 例: DFTの発展) (永瀬,押山)
マルチスケール手法 (例: RISM-SCFによる溶媒の取り入れ(平田))(押山)
継続的な基盤研究 (寺倉)
融合領域・新領域など分野の橋渡し(寺倉)ユーザーコミュニティの連携 (寺倉)• 現在個別のコミュニティは存在するものの連携に乏しく個々に動いているのが実情。本
プロジェクトを機会に分野間の融合を計るべき– 分野間の連携並びに成果のフィードバック (押山)•10PFスーパーコンピュータへの要望– コンピュータアーキテクチャの新規な発想転換 (中村)