筑波大学 計算科学研究センター
平成 24 年度 年次報告書

Center for Computational Sciences,
University of Tsukuba
Annual Report FY2012

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

目次
1 平成 23 年度 重点施策・改善目標 ............................................. 2
1-1.重点施策 ................................................................ 2
1-2．改善目標（法人評価，認証評価，外部評価及び監事監査･内部監査の指摘に対する取組等） .................................................................... 4
2 平成 24 年度 実績報告....................................................... 5
2-1.平成 24 年度計画並びに改善目標に記載されている事項についての達成状況等 .... 5
2-2.自己評価と課題........................................................... 9
3. 各研究部門の報告........................................................... 11
I. 素粒子物理研究部門....................................................... 11
II 宇宙・原子核物理研究部門 ................................................. 40
II-1. 宇宙分野 ........................................................... 40
II－2. 原子核物理分野..................................................... 65
III. 量子物性研究部門....................................................... 88
IV 生命科学研究部門........................................................ 115
IV-1.生命機能情報分野.................................................... 115
IV-2. 分子進化分野......................................................... 125
V. 地球環境分野 ........................................................... 136
VI. 高性能計算システム研究究部門 ........................................... 146
VII. 計算情報学研究部門.................................................... 165
VII-1. データ基盤分野.................................................... 165
VII-2 計算メディア分野................................................... 1781

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平成 23 年度

重点施策・改善目標

1-1.重点施策「第２期中期計画に関わる大学全体の年次別実行計画」についての重点施策は，以下のとおり：
22-1「各研究科や研究センターの研究戦略・企画組織を充実・強化し，当該組織の学問分野における特色を生かしつつ，長期的展望に立つ基礎研究と学際融合的な研究を計画的に推進する。」
平成 24 年度重点施策：各系・研究センターにおいて，系等の特色を生かした研究戦略及び研究連携策を推進する。
32-1「共同利用・共同研究拠点は重点戦略経費等により支援する。各拠点は第二期中期
目標・中期計画期間中の目標と計画を定め，期間中に評価を実施して実施状況の検証を行いつつ高い研究成果の実現を図る。」
平成 24 年度重点施策：各共同利用・共同研究拠点は，国際研究拠点化に向けた体制構築に係る活動を実施する。
【研究】（１） 学際計算科学のアプローチにより，エクサスケール計算の礎となる，計算基盤の能力および機能の飛躍的な向上のための計算技術開発と計算科学の革新に取り組むプ
ロジェクト「エクサスケール計算技術開拓による先端学際計算科学教育研究拠点の充実」
についての研究開発を実施する。
（２） 共同利用・共同研究拠点「先端学際計算科学共同研究拠点」の活動として，特別
経費プロジェクト「先端学際計算科学の開拓・推進・展開事業」とともに，学際共同研
究プログラムを実施し，学際計算科学の共同研究を実施することにより，計算科学の研究を推進する。
（３） KEK，国立天文台とともに運営する計算基礎科学連携拠点において，HPCI 戦略
プログラム（分野５，計算基礎科学）を実施する。我が国の計算資源の有効利用を図る
HPCI コンソーシアムに参画し，我が国の計算科学の基盤の運営に貢献する。また，次のエクサに向けた検討を進め，国のエクサスケール計算の計画に貢献する。
（４） センター全体としては，研究推進事業，大型プロジェクト等を中心に，計算科学の学際的研究の遂行と成果の実現を図る。各部門の目標は次のとおりである。

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素粒子物理研究部門：

京での「格子 QCD による物理点でのバリオン間相互作用の決定」の計算に向け，アルゴリズムの改良やバリオン間相互作用の計算方法と研究を行う。有限密度での格子 QCD の研究を行う。
宇宙・原子核物理研究部門：

宇宙における初代天体，銀河，巨大ブラックホールの形成

史を，大規模な輻射流体力学，Ｎ体シミュレーションによって探究する。多フェルミオン
系の量子ダイナミクスに対する大規模計算により，元素合成に関わる原子核反応や，光と物質の相互作用に関する理解を発展させる。
量子物性研究部門：

第一原理量子論等によりナノ構造体の持つ特徴的物性の解明，次世代技術基盤の創成等の研究を行い，つくばナノテクアリーナに参画している産業界にも貢献する計算科学の知見を得る。また，宇宙分野，生命分野等と連携して宇宙生物学分野に資する知見を第一原理量子論によって獲得する。
生命科学研究部門：

生命科学の重要な課題について計算機シミュレーションによる理論的解明とともに，GPU を用いた量子力学計算手法の開発を行い，生命科学研究において必要となる膨大な計算量に対応できるようにする。分子進化分野では，ハプト・クリプト生物群に近縁となる新奇真核微生物の探索と網羅的発現遺伝子解析を行う。
地球環境研究部門：

大気大循環モデル NICAM を用い北極低気圧のライフサイクルの研究を推進し，北極海海氷激減との関係を解明する。領域気象モデル WRF ともに建物解像
LES モデルを開発し都市気候の研究を実施する。
高性能計算システム研究部門：HA-PACS における並列言語 XMP 及びその演算加速向け拡張，また密結合演算加速機構の実アプリケーションでの評価を進める。広域分散ファイル
システム Gfarm の HPCI 実運用を通じた評価・改良を行う。並列数値アルゴリズムの一層の大規模高速化と演算加速機構向け高度化を進める。
計算情報学研究部門：

大規模計算に関わるデータ基盤技術の整備を継続すると共に，実時間実世界データの利活用についても応用的側面から技術の深化を図る。また，人介在型の高精度データ解析を，複合現実感型インタフェースを通じて行えるようにすることで，計算メディアの有効性を検討する。
【国際】

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国際連携として，エジンバラ大学および，米国のローレンスバークレイ研究所との連携を進める。アジアでは韓国 KISTI との連携を進める。連携のために計算機システムを国際共同研究に活用できるように手続きを確立する。
【教育】
計算科学のデュアルディグリー・プログラムを研究科とともに実施し，このプログラムの学生の数を増やす。グローバル 30 の計算科学の英語による講義，計算科学に関する大学院
共通科目を実施し，国際化・普及を進める。

1-2．改善目標（法人評価，認証評価，外部評価及び監事監査･内部監査の指摘に対する取組等）
外部評価において指摘された計算機開発により最先端の計算科学を推進する「学際計算科学」の推進体制については，特別経費プロジェクトおよび HPCI 戦略プログラム等で確実に推進されつつあるが，次の課題として T2K 後継システムのスパコン開発・調達について推進体制が強化できるように注意深く検討していく必要がある。

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平成 24 年度

実績報告

2-1.平成 24 年度計画並びに改善目標に記載されている事項についての達成状況
等
センターの計算科学と計算機科学の協働による「学際計算科学」を強みとして，特別経費プロジェクト「エクサスケール計算技術開拓による先端学際計算科学教育研究拠点の充実」を実施している。今年度においては，アプリの開発，演算加速機構(GPU)間を直接結合するハードについては設計・実装を完了し，量産品の調達を終え，着実に進行している。
さらに，本年度から，東工大，理研，会津大，日立とともに「将来の HPCI システムのあり方に関する調査研究」において，これからの我が国のスパコンについての検討を進めており，エクサスケールを目指す計算科学を推進している。また，T2K システムの後継システムについては，東京大学情報基盤センターとともに柏キャンパスに共同して次期スパコンを設置，運用することとし，そのための組織「最先端共同 HPC 基盤施設」の設置・運営について協定を締結した。
共同利用・共同研究拠点の共同研究プログラムとして，センターの主要計算設備を活用する学際共同プログラムを実施した。48 課題のプロジェクトを採択，実施し，38 件の旅費支援，1 件の集会支援の他，本年度は，センター設置 20 周年記念シンポとして，第 3 回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウムを 9 月に開催した。長期的な基礎研究を含む，各研究グループが行う重点課題についても，この学際共同プログラムのプロジェクトとして実施し，研究を着実に進めている。
国際的な連携として，これまで，米国はローレンスバークレイ研究所と，欧州はエジンバラ大学との協力関係づくりを進めている。さらに，人材育成においても，計算科学英語プログラムの推進や計算科学デュアルデグリー・プログラムの海外インターンシップの支援を行い，国際的な活動ができる人材育成に取り組んでいる。
〔重点施策の達成状況〕【研究】（1）平成 24 年 2 月から運用を始めた HA-PACS については，当該プロジェクトの研究に供するとともに，10 月からは「学際共同利用プログラム」に組み入れ，本システムを用いた共同研究を開始した。また，本プロジェクトの一つの重要な研究項目である，演算加速機構(GPU)間を直接結合する PEACH2 については設計・実装を完了し，量産品の調達を終えた。次年度においては，これを組み込んだ TCA 部 HA-PACS システムの完成に向けて，調達作業を進めている。アプリケーションについても，昨年度設置した先端計算科学推進室で開発を進めている。

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平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書（2）共同利用・共同研究拠点の共同研究プログラムとして，センターの主要計算設備である T2k-tsukuba，FIRST に，10 月からは HA-PACS を加え，これらのシステムを利用する
学際共同プログラムを実施し，学際計算科学の研究を推進した。当該年度においては，48
課題のプロジェクトを採択，実施した。38 件の旅費支援，１件の集会支援を行った。本年度は，センタ設置 20 周年記念シンポとして，第 3 回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウムを 9 月に開催した。
（3）KEK，国立天文台と締結した計算基礎科学連携拠点を運営し，これを中心として計算基礎科学分野の HCPI 戦略プログラム（分野５）を推進した。HPCI コンソーシアムに参加し，本センターから宇川副学長が，理事長としえて組織運営にあたっている。また，HPCIシステムの構築においては広域のストレージを担当し，引き続き，分散ファイルシステム
Gfarm を用いた我が国の計算資源の有効利用を図る HPCI の共有ファイルシステムの整備を行った。さらに，この 7 月からは，センターを中心に東工大，理研，会津大，日立とともに「将来の HPCI システムのあり方に関する調査研究」のプロジェクトに採択され，これからの我が国のスパコンについての検討を進めている。
（4）センター全体としては，研究推進事業，大型プロジェクト等を中心に，計算科学の学
際的研究の遂行と成果の実現を図った。各部門の達成状況は次のとおりである。
素粒子物理研究部門：京コンピュータでのゲージ配位生成のためのアルゴリズムの改良が完了し，２４年１０月からはゲージ配位生成が本格的に始まった。バリオン間相互作用に関しては，計算方法の改良が完成し，それを使った研究が進められた。また，京コンピュ
ータへのコード移植や京でのコードのチューニングなどを作業がほぼ終了した。有限密度での格子 QCD では，ヒストグラム法に基づく reweighting 法により，クォーク質量が重い領域での相構造の解析が完了した。
宇宙・原子核物理研究部門：宇宙における初代天体，銀河，巨大ブラックホールの形成史を，大規模な輻射流体力学，Ｎ体シミュレーションによって探究した。多フェルミオン系の量子ダイナミクスに対する大規模計算により，元素合成に関わる原子核反応や，光と物質の相互作用に関する理解を発展させた。
量子物性研究部門：第一原理量子論等によるナノ構造体のもつ特徴的物性の解明を行うと同時に産業界にも貢献する知見の獲得を目指して研究を行った。その結果，グラフェン，
光物性等の基礎物理学分野において大きな知見が得られた。また，つくばナノテクアリー
ナと連携して産業界に貢献する知見をえることにも成功した。中でも，パワーエレクトロ6

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ニクス分野においては，つくばパワーエレクトロニクスコンステレーション（TPEC）に参画している産業界に大きく貢献する計算科学的知見を得ることに成功し，次世代パワーデバイスの設計指針の獲得に成功した。
生命科学研究部門：生命科学の重要な課題を解決するために，計算機シミュレーションによる理論的解明と GPU を用いた量子力学計算手法の開発を行った。特に，生命分野，宇宙分野と連携して宇宙生物学分野においてはパイオニアとなる「L 型アミノ酸過剰の起源」や「系学惑星における光合成の可能性」等の量子論的知見を得ることに成功した。また，分子進化分野では，クリプト生物群に含まれるカタブレファリス類*Roombia* sp.とフォルニ
カータ生物群に含まれる Dysnectes brevis と未記載種 NY0171 株の網羅的発現遺伝子を行い，そのデータを使用した大規模分子系統解析を行うことで，これらの新奇生物種の系統的位置を確定した。
地球環境研究部門：2008 年 6 月に北極海上で発生した北極低気圧に対し，水平解像度 14km
(gl-9) の NICAM を用いた再現実験を行い，北極低気圧の発達と維持に関する詳細な分析
結果を査読付き国際会議に発表した。北極海の海氷の減少に伴い，北極温暖化増幅をもたらす温度場の第 2EOF モードが正のトレンドを示す一方で，第 1EOF モードとしての北極振動が負のトレンドを示すことを明らかにし，国際誌に掲載するとともに，第３回国際北極研究シンポジウム(ISAR-3)で発表した。都市気象 LES 用の街路樹モデルを開発し，街路
樹の中心断面の温度分布の再現実験を行った。領域気象モデル WRF-UCM による力学的ダ
ウンスケーリングを行い，IPCC SRES A2 シナリオ下での三大都市圏の夏季気候の将来予測を実施した。
高性能計算システム研究部門：並列言語 XMP の演算加速装置向け拡張を HA-PACS 上で評
価すると共に，GPU と CPU の全リソースを並列プログラム内で無駄なく利用する機構を組み込み，プロトタイプコンパイラを実装・評価した。密結合演算加速機構はハードウェ
アの基本開発を終え，予備性能評価により従来方法に比べ通信遅延を大幅に低減することを確認し，研究最終年度に向けたハードウェアの量産を終えた。またセンター内計算科学
研究グループとの共同により，宇宙物理学ツリーコード，気象コード等の HA-PACS への移植と高速化を進めた。Gfarm に関しては HPCI 実運用を支援し，性能ボトルネックを検出・改善し，全国規模の運用を推進した。並列数値アルゴリズムについては，FFT コードの改善により「京」コンピュータにおける HPC Challenge で再度世界第一位にランクされた。また，クリロフ部分空間法の改善により QCD を始めとするアプリケーションへの適用と高速化を進めた。

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計算情報学研究部門：データ基盤分野では，ストリームを中心にした情報統合技術を深化させると共に，GPU を活用した大規模計算に関わるデータマイニング・知識発見や XML・
Web プログラミング等のデータ基盤技術に関する研究を推進した。また，GEOGid データの利活用や X 線天文データ検索等の応用的な研究開発も遂行した。計算メディア分野では，
映像・画像メディアにおいてデータ解析を効率よく行えるインタフェースの方法論を構築してきた。特に，複合現実感型インタフェースを通じた人介在型の高精度データ解析法，
多種センサによる人物の表情データベース収集システム，３次元的な情報や指示を共有できるインタフェース，などの研究により，計算メディアの有効性を検証した。
【国際】
3 月 7～8 日にローレンスバークレイ研究所とのワークショップを先方で行い，連携の状況についてミーティングを行った。共同研究のテーマについて情報交換する他，研究協力
全般の MoU を締結される見込みとなった。エジンバラ大学とは，筑波でミーティングを行
う予定であったが，先方の状況から調整がつかず，４月以降になる見込みである。また，
韓国 KISTI との連携に関しては，先方の組織改編のために調整中である。なお，計算機シ
ステムを国際共同研究のために海外からの利用に関しては整備を行い，手続きを運用している。当該年度は，海外からの利用件数は７件であった。
【教育】
計算科学デュアルディグリー・プログラムに関しては，残念ながら，プログラムの学生の数は増やすことはできなかったが，今年度から新たに開設した生命環境研究科とシステ
ム情報研究科との計算科学デュアルディグリー・プログラムのコースに博士課程の学生が１名入ることになった。計算科学デュアルディグリー・プログラムに在籍する学生については RA として雇用する他，海外インターンシップを支援している。今年度は，2 人のイン
ターンシップを支援した。グローバル３０の計算科学英語コースに加えて，今年度からヒューマンバイオロジープログラム対応の英語コースも開始され，英語による計算科学の教育の充実を図った。
〔改善目標の達成状況〕
T2K システムの後継システムについては，東京大学情報基盤センターとともに柏キャンパスに共同して次期スパコンを設置，運用することを計画している。そのための組織を「最先端共同 HPC 基盤施設」として，そのための東大との協定書および覚書を準備し，協定の締結を行った。次年度からは，当該施設の組織整備を行い，システムの設計，調達準備など，具体的な運営を進めていく。また，次期システム設計・研究開発の準備として，平成
24 年度補正予算によりパイロットシステムを整備する他，情報環境機構との協議の上，「筑8

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波大学におけるスーパーコンピュータシステムの整備についてのガイドライン」に基づき，
次期システムが設置されるまでの間の予算により，平成 26 年度にパイロットシステムの増強を図り，「最先端共同 HPC 基盤施設」に設置される次期スパコンと本センター設置のシ
ステムの運用体制を検討していく。なお，現状の T2K システムについては，当初スケジュールを見直し，平成 26 年 2 月までの運用とし，次年度ではファイルシステム等を調達し，移行の準備を行う。
〔その他特色ある取組の実施状況〕(1) データ共有基盤 JLDG の運用と分散ファイルシステム Gfarm の研究開発
主に，計算素粒子物理学のデータを分野の研究者で共有するシステム JLDG(Japan
Lattice Data Grid)を運営している。現在，主に HPCI 戦略プログラム（分野５）の支援を受けて運営しているが，この取組は十年に渡ってセンターを中心に取り組んできたものである。昨年までの最先端基盤整備による支援も受け，現在，7 機関，20 サーバーを結ぶシ
ステムとなっており，ディスク総量は 2.6PB を提供するまでになっている。また，このシステムを支えるシステムソフトウエアである分散ファイルシステム Gfarm も本センターが開発を行っており，このシステムは HPCI システムの実運用にも供されている。
(2) 分野・部門間の連携研究の推進
当センターでは，科学諸分野と計算機科学・情報科学の連携・協働による「学際計算科
学」を中心的なコンセプトとして研究活動を行っている。素粒子分野と超高速計算システ
ム分野，地球環境分野と計算知能分野などが具体的な研究課題についてワーキングループ
を設置して定期開催を行い，共同研究を進めている。これを核にして，エクサスケールの計算科学を目指した特別経費プロジェクトを進めるとともに，外部資金の獲得についても取り組んでいる。

2-2.自己評価と課題（1）自己評価
特別経費プロジェクト「エクサスケール計算技術開拓による先端学際計算科学教育研究拠点の充実」では最終的な目標とする「密結合並列演算加速機構アーキテクチャ」を持つシス
テムの構築に向けて着実に進捗しており，共同利用・共同研究拠点の核となる，学際共同利
用プログラムについても，着実に運営されている。センターの次期システムについては，東京大学情報基盤センターとともに「最先端共同 HPC 基盤施設」を設置し，柏キャンパスに共同して次期スパコンを設置，運用する計画である。そのための協定について締結され，来年度から計画をスタートすることとなった。本システムは 2015 年に運用になる計画で，稼働すれば我が国有数のスパコンシステムになる見込みである。

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全国的観点からは，現在，本センターでは HPCI 戦略プログラム（分野５，計算基礎科
学）を戦略機関として推進しており，HPCI コンソーシアムの運営，ファイルシステムを中心として HPCI システムの構築にも大きく貢献している。今年度から，「将来の HPCI シス
テムのあり方に関する調査研究」のプロジェクトを開始しており，これからの我が国のスパコン開発に貢献していく。さらに，計算科学デュアルディグリー・プログラムや計算科学の英語プログラムなどの人材育成，国際連携を進めていきたい。
（2）課題① 生命科学やナノ科学の分野の研究体制の整備

センター評価，監事監査での指摘事項に基づき，本研究センターがこれまで実績を積んできた研究領域を中心に推進しつつ，生命科学やナノ科学との協業・連携を活発化，推進する方策を検討する必要がある。そのための，その分野の研究者の確保や協力体制をどのようにすべきかについて検討を進める。
② 事務支援体制の充実
センターの充実，T2k-tsukuba システムに加えて，HA-PACS システムの運用開始，次世代スパコン戦略プログラムの実施に伴い，研究企画・財務・総務広報等のそれぞれの面で検討事項・処理事項と事務量が大幅に増大した。特に，次世代スパコン戦略プログラムについてはセンター事務とは別に事務組織を立ち上げ運営している。また，「共同利用・共同
研究拠点形成強化事業」の支援により，計算機システムの運営のための人員１名を雇用して改善を図っている。しかし，依然として事務体制の人員は不足しており，改善する必要がある。
③ 省電力への取り組み，予算面での課題
震災後の電力事情の変化により，電気料金の高騰が予想されている。電気料金は本セン
ターの予算の大きな部分を占める部分であり，高騰した場合の対処を検討しておく必要がある。また，外部資金の間接経費の配分方式は，全学的な研究システムの整備の中で，研究センターの位置づけに関わる課題として引き続き検討の必要がある。

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3. 各研究部門の報告
I. 素粒子物理研究部門
1.

メンバー

教授

青木 慎也、宇川 彰（計算科学研究センターフェロー）、金谷 和至（共

同研究員）
准教授

石塚 成人、藏増 嘉伸、吉江 友照、石井 理修、根村 英克

講師

谷口 裕介

研究員

浮田 尚哉、佐々木 健志、滑川 裕介

2.

概要

当部門では，本年度も格子 QCD の大型シミュレーション研究の分野で活発な研究活動が行われた。格子場の理論グループの研究者の大部分は、2006 年 7 月に計算科学研究センターの次期並列計算機として PACS-CS が導入されたのを契機として新たに立ち上げられた研究グループ PACS-CS Collaboration に参加している。PACS-CS
Collaboration では、計算科学研究センターの PACS-CS や T2K-Tsukuba を主要な計算機資源として、QCD に関する近似のない物理的予言を行うことを目的として、3 種類（up、down、strange）の軽いクォークをその物理的質量（物理点）において動的に扱う Nf=2+1 QCD の大規模シミュレーションを進めてきた。更に発展的課題として、
up、down クォーク間の質量差や電磁相互作用を取り入れる Nf=1+1+1 QCD の研究や、
格子 QCD による He 原子核の研究なども推進した。PACS-CS Collaboration は 2011年 9 月末の PACS-CS 機シャットダウンに伴って解散したが、これまで取り組んできた研究課題は HPCI 戦略プログラム分野５（後述）における研究開発課題として発展的に引き継がれている。さらに、これと並行して、高エネルギー加速器研究機構（KEK）と共同してカイラルフェルミオンを用いた研究を推進している JLQCD Collaboration
や、核子間ポテンシャルやハドロン間相互作用の研究に取り組んでいる HAL QCD
Collaboration、有限温度・有限密度 QCD の研究を推進している WHOT-QCD
Collaboration などで、活発な研究を行った。さらに、格子 QCD 配位やその他のデー
タを共有する為のデータグリッド ILDG/JLDG の構築・整備を推進した。
一方、国内の計算科学全体の動向として、「京」コンピュータを中核とした革新的ハ
イパフォーマンス・コンピューテイング・インフラの構築を主導するために、「HighPerformance Computing Infrastructure（HPCI）戦略プログラム」が文部科学省により推進されている。その HPCI 戦略プログラムの５つの戦略分野の１つとして、青木が統括責任者を努める分野５「物質と宇宙の起源と構造」が採択され、2011 年度から本
格的に活動が始まり、2012 年度は、秋から一般利用が開始された「京」コンピュータ
を中心に、その研究活動が活発化している。詳しい活動内容は、
http://www.jicfus.jp/field5/jp/を参照していただきたい。
11平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

また、分野５の戦略プログラムを実施する機関は、青木が拠点長を努める「計算基礎科
学連携拠点」であるが、その活動は、http://www.jicfus.jp/jp に詳しい。
3.

研究成果

【１】 PACS-CS Collaboration の活動（全員）当センターでは、平成 17 年度から 3 ヶ年計画で特別教育研究経費（拠点形成）を受けて開発・製作が進められてきた超並列クラスタ計算機 PACS-CS（計算ノード数 2560、
ピーク演算性能 14.3Tflops）が平成 18 年 7 月から稼働を開始した。PACS-CS
Collaboration は PACS-CS を主要な計算設備として格子 QCD の研究を行うことを目的とし、筑波大学物理学域メンバーを中心として組織されている。その目標は、3 種類（up、down、strange）の軽いクォークをその物理的質量（物理点）において動的に扱うシミュレーションを行い、QCD に関する近似のない物理的予言を行うことである。
平成 18、19 年度から物理点へ向けて up-down クォーク質量を段階的に軽くし、平成
20 年度より PACS-CS プロジェクトの目標である物理点でのシミュレーションへの取り組みを開始し、平成 21 年度に、reweighting 法を用いた物理点直上でのシミュレー
ションに成功した。その後、1+1+1 フレーバーQCD+QED シミュレーションの開発に取り組み、up、down クォークの質量差と電磁相互作用を reweighting 法によって取り入れることに成功し、平成 24 年度にその成果を論文として発表した。
なお、PACS-CS は平成 23 年 9 月末をもって運用を終了し、平成 24 年 2 月より後継機となる密結合並列演算加速機構実証システム HA-PACS（計算ノード数 268、GPU
部ピーク演算性能 713Tflops、CPU 部ピーク演算性能 89Tflops）が稼働を開始した。
（1）1+1+1 フレーバーQCD+QED シミュレーション
従来の格子 QCD 計算では、アルゴリズム的理由により up と down クォークの質量は人為的に等しくし（2+1 フレーバー）、電磁相互作用の効果も無視していた。これに対して、1+1+1 フレーバーQCD+QED シミュレーションでは自然界を再現すべく up、down、strange クォークの質量をすべて独立なものとして扱い、電磁相互作用の効果も同時に評価することを目指している。電磁相互作用および up と down クォークの質
量差は reweighting 法によって取り入れる。その際、変形 block BiCGSTAB アルゴリ
ズムの開発を行うことによって、reweighting 法の高効率実行を可能とした（論文 1）。
本格計算は 323×64 の格子サイズを用いて行われ、up クォーク質量、down クォーク12

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質量、strange クォーク質量、格子間隔を決定するための 4 つの物理インプットとしてπ+メソン質量、K0 メソン質量、K+メソン質量、Ωバリオン質量を採用した。これにより、up と down クォークの質量差を直接定量的に評価することが可能となった(論文 2)。
図 1 は電磁相互作用と up と down クォークの質量差を取り入れた K0 メソンと K+メソンの伝播関数の比を時間の関数としてプロットしたものである。赤線は K0-K+質量差の実験値（K0 と K+の平均質量の 1%未満）から期待される傾きであり、計算結果は誤差の範囲で実験値を再現している（t=0 の近傍は励起状態の寄与のため実験値からずれている）。なお、本計算では PACS-CS 機の他に超並列クラスタ計算機 T2K-Tsukuba（計
算ノード数 648、ピーク演算性能 94 Tflops、平成 20 年 6 月稼働開始）も利用している。
1.10
0

+

K to K propagators

1.08
1.06
1.04
1.02
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0

5

10

t

15

20

25

図 1：K0 メソンと K+メソンの伝播関数の比。赤線は実験から期待される傾き。
（2）チャームバリオンの研究
物理点直上の極めて現実に近いシミュレーションにより、チャームクォークを含むバ
リオンの検証及び予言を与えた（論文 3、4）。チャームクォーク１つを含むバリオン
は実験的に高精度で調べられている。他方、チャームクォークを２つ含むバリオンは、
Ξcc(3520)のみが実験的発見を報告されている。ただし、この発見を報告している実験
グループは１つのみであり、他の実験グループからは否定的な結果が報告されている。
Ξcc の存在は未だ確定していない。本計算により、まず、チャームクォーク 1 つを含む
バリオン質量スペクトルは実験値を再現する事が分かった。
次に、Ξcc の質量値を求め、3603(15)(16) MeV を得た。この値は、報告されている実験値 3520 MeV と有意に異な13

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書る。本研究は、既存の実験報告値 3520 MeV が誤りであり、真の値は 100 MeV 程度高
いと示唆する。また、Ξcc に加え、チャームクォークを２つ及び３つ含む他の未発見バ
リオンに対する質量予言値を 2%の精度で決定した。
【２】 HPCI 戦略プログラム分野 5 における研究開発課題（青木、石塚、藏増、石井、根村、谷口、浮田、佐々木、滑川）
分野 5「物質と宇宙の起源と構造」の戦略目標は、ビッグバンに始まる宇宙の歴史に於ける、素粒子から元素合成、星・銀河形成に至る物質と宇宙の起源と構造を、複数の階層を繋ぐ計算科学的手法で統一的に理解することにある。この目標を目指して 4 つの研究開発課題が設定されており、そのうちの一つである「格子 QCD による物理点でのバリオン間相互作用の決定」の責任者を藏増が務めている。本課題が目指すものは、格子 QCD 計算の微細化とマルチスケール化を鍵とする新しい展開である。微細化とは、
電磁相互作用や up と down クォークの質量差を取り入れた大規模シミュレーションの実現を意味する。これにより、QCD の基本パラメータであるクォーク質量を高精度で決定することが可能になる。他方、マルチスケール化とは QCD を用いて核子を複数作ることによって核子間の有効相互作用を調べたり、更には核子の束縛状態である原子核の直接構成を行うことを意味する。前者は青木、初田（理研）を中心とした HAL QCD
Collaboration が取り組んでいるアプローチであり、後者は藏増、宇川を中心としたグループによって推進されている（後述）。
（1）格子 QCD による物理点でのバリオン間相互作用の決定
平成24年9月28日に「京」コンピュータの共用が開始されて以降、ゲージ配位生成の本格計算を開始した。964の格子サイズ、0.1 fmの格子間隔を採用し、DDHMC（Domain-Decomposed Hybrid Monte Carlo）アルゴリズムを用いて2+1フレーバー（mu=md≠ms）QCD のシミュレーションを実行している。HMCアルゴリズムは人為的に導入された擬時間に対する分子動力学法を組み入れたモンテカルロ法の一種であり、格子QCD シミュレーションにおいて広く採用されている。DDHMC法では、4 次
元時空間格子を小領域に分割し、擬時間に対するハミルトン方程式を階層的に積分する
ことによってアルゴリズムの効率化を図っている。熱平衡状態に達したことを確認した
後、5 分子動力学時間（擬時間の単位）毎にゲージ配位を保存し、そのゲージ配位を用いてハドロン質量などの基本物理量の測定を並行して行っている。図2 はこれまで得ら
14平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

れた安定な（強い相互作用で崩壊しない）ハドロンの質量の計算結果を実験値と比較したものである。既に1%程度の統計誤差に到達していることがわかる。ここでは、クォーク質量（mu=md≠ms）と格子間隔を決めるための3つの物理量として、πメソン質量（mπ）、Kメソン質量（mK）、Ωバリオン質量（mΩ）を採用している。そのため、mとmKに対しては更に数%程度の実験値へのチューニングが必要であることが見てとπ

れるが、その補正は今後reweighting 法を用いて行う。
0.14
0.12

(mH/m)latt / (mH/m)exp  1

0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08



K



N







-0.10

図 2：ハドロン質量と実験値との比較。
なお、本研究開発課題では、クォーク作用として smeared link を用いた Wilson-clover
作用を用いている。谷口はにより、clover 項の改良係数 cSW が非摂動論的に決定されている（論文 5）。
【３】 格子 QCD によるクォークを自由度とした原子核の直接構成（藏増、宇川）
藏増、宇川らは山崎（名古屋大）とともに 2010 年世界で初めて格子 QCD によるヘリ
ウム原子核の構成に成功した後、2 核子系の束縛状態である重陽子の構成にも成功した。
ただし、これらは計算コストを抑えるためにクェンチ近似かつ物理的な値よりも重いクォーク質量で行った計算であるため、次のステップとしてクォークの真空偏極効果を取り入れた 2+1 フレーバー格子 QCD 計算への拡張を行った。その結果、クェンチ近似だ
けでなく 2+1 フレーバーQCD においてもヘリウム原子核と重陽子が束縛することが確認された（論文 4）。ただし、クォーク質量は依然として物理的な値よりも重く、mπ=0.51 GeV 相当である。図 3 左は 4He 原子核のエネルギーシフトΔEL(4He)の空間体積依存性を表している。ここで、エネルギーシフトは 4He 原子核の基底状態と自由な 4
15

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

個の核子の質量との差ΔEL(4He)=EL(4He)−4mN で定義される。有限の空間体積（L3）では、4 個の核子同士の散乱の効果もΔEL(4He)に含まれるため、束縛エネルギーのみを取り出すためには、空間体積無限大極限（1/L3→0）への外挿が必要となる。星印は束縛エネルギーの実験結果を表しており、我々の計算結果も同程度の値を再現している
ことがわかる。図 3 右は重陽子のエネルギーシフトΔEL(3S1)=E(3S1)−2mN の空間体積依存性を表している。重陽子の場合は、束縛エネルギーの計算結果が実験結果よりも 5倍程度大きい。また、我々の計算では、実験的には束縛していないスピン一重項（1S0）
チャネルにおいても束縛状態が確認されており、これらの結果はクォーク質量が物理的な値よりも重いためではないかと推察している。今後クォーク質量を更に軽くして現実の値に近づけていくことが重要である。

0.000

0

4

EL( He) [GeV]

experiment
Nf=2+1 m=0.51GeV
Nf=0 m=0.80GeV-0.004-0.02-0.008-0.012

-0.04

-0.08

-0.016experiment
Nf=2+1 m=0.51GeV
Nf=0 m=0.80GeV

-0.06

0

-5

110

-5

210
3
1/L

310

3

EL( S1) [GeV]-0.020

-5

410

-5

-0.024

0

110

-5

210
3
1/L

-5

-5

310

410

-5

図 3：L3 空間格子サイズにおける 4He 原子核（左図）と重陽子（右図）のエネルギー
シフトΔEL の空間体積依存性。四角は空間体積無限大極限(1/L3→0)への外挿値、星印
は束縛エネルギーの実験結果、白抜きダイヤはクェンチ近似の計算結果を表す。
【４】 格子 QCD によるバリオン間相互作用の研究（青木、石井、根村、佐々木）
２つの核子間に働く力、核力は、中遠距離では引力、近距離では強い斥力になることが実験的に知られているが、この核力の性質、特に斥力芯と呼ばれる近距離での斥力、を理論的に導くことは、素粒子原子核物理に残された大問題の１つである。青木、石井、
根村、佐々木は、理化学研究所の初田らと HAL QCD Collaboration を結成し、２核子間の波動関数から核子間のポテンシャルを導き出すという方法を応用して、様々な粒子間のポテンシャルを格子 QCD の数値シミュレーションで計算してきた。その一連の研16平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

究成果をレビューしたものが、論文 5 である。また、論文 6、7 では、斥力芯の起源を演算子積展開と摂動論的 QCD の繰り込み群という解析的な手法で研究し、格子 QCDの計算結果と比較している。論文 8 は、HAL QCD が用いてきた方法を非弾性散乱に拡張する方法を提案したものである。以下では、石井、根村、佐々木、及び青木の学生である山田の 2012 年度の研究成果を紹介する。
（1）負パリティセクタのハイペロン力・対称および反対称 LS 力
かねてよりの懸案であった flavor SU(3) 極限におけるハイペロン力の一般形について、二核子系の Okubo-Marshak の方法を拡張する事によって求める事に成功した。
Octet-baryon の二体系は、flavor 規約表現で、８表現が２度現れ、二粒子の交換に対して、対称な物(s)と反対称な物(a)に分類される。この二つをつなぐ、反対称 LS 力が二核子系との唯一の違いであった。同様に、flavor SU(3)が破れた状況下での一般形を求めた。ここでは、ハイペロンの結合チャンネルの off-diagonal 部分に二核子系では排除されていた形の項がたくさん生き残り、ポテンシャル逆構成の際にどのくらいまじめに取り扱うべきか悩んでいる。とりあえず、最初はこれらを無視して計算を進めるつもりである。これらの計算を実行するため、新型の contraction code の開発を行った。平成
25 年度の早期の段階で結果を出して、現実的な計算につなげていきたい。
（2）2+1 flavor QCD による核力
平成 22 年度から 23 年度にかけて開発した”時間依存型”Schrödinger-like eq. の方法は、バリオン 4 点関数の ground state saturation を必要としないため、小さな t でも安定してバリオン間ポテンシャルを計算できる方法である。PACS-CS のゲージ配位を用いた 2+1 flavor QCD の核力のデータに対して、統計を上げてこの方法を適用して再解析を行った。長距離における one pion exchange 極限を考慮するため、AV18 型の関数形を用いて、二つの中心力と一つのテンソル力の同時フィットを行った。ここでは実験的に周期境界の影響を取り込めるようなフィットを試してみた。滑らかにパラメトライズされたポテンシャルを使って求めた位相差は、引力的だが絶対値が実験値よりも遥かに小さかった（束縛状態は存在していない）。mπ=700、570、411 MeV と変化させたが、この領域ではまだ実験値に向かって引力が強くなる傾向は見られていない（図4、論文 9）。
17平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

VC(1S0) [MeV]

4000
3500

60

3000

40

2500

20

2000

0

1500

-20

1000

lattice--VC;10
VC;10
OPEP
T2
WS

-40

500

0

0.5

0.5

1

1

1.5

2

2.5

0
-500
0

1.5

2

2.5

r [fm]

図 4：（左）2+1 flavor 格子 QCD で計算された核力（spin-singlet 中心力）のフィットの結果（mπ=570 MeV）。（右） これを使った 1S0 の散乱位相差（mπ=411、570、700 MeV）。
（3）格子 QCD で得られた核力ポテンシャルによる少数核子多体系の研究
物理点での格子 QCD による（一般化）核力ポテンシャルの導出に備えて、
Nambu-Bethe-Salpeter(NBS)波動関数から得られた（一般化）核力ポテンシャルを用いて散乱位相などの物理量を導出するための各種方法の確立および軽い原子核構造への適用のための準備を進めた。より具体的には、フレーバーSU(3)対称点で得られた核力ポテンシャルの偶パリティ成分（1S0 および 3S1−3D1 状態に働く中心力およびテンソル力）を用いた 4He 原子核の少数多体問題を精密に解き、束縛状態が存在することを確認した（図 5）。この束縛状態の結合エネルギーは約 4.4 MeV（陽子間のクーロン力も同時に考慮して 4 体問題を解いた場合）もしくは約 5.1 MeV（クーロン力を考慮せず
4 体問題を解いた場合）であり、現実の 4He に比べて非常に小さい。この結果は、既に行われているテンソル力を繰り込んだ中心力のみで 4 体問題を解いた近似計算と定性的に良く似た結果である。今回用いた核力ポテンシャルはπ中間子に対応するハドロンの質量が約 469 MeV であり、クォーク質量は現実よりも重く、得られた核力ポテンシ
ャルのテンソル力成分は現実の場合に比べて非常に弱いと考えられる。4 体問題を解いて得られた 4He の基底状態における全軌道角運動量（L=2）の状態の期待値はわずか1.3%（クーロン力有り）ないしは 1.4 %（クーロン力無し）である。これまでの現象論的に決められた現実的核力に基づいて計算された 4He の基底状態の L=2 状態の期待値
が 10%程度であることが知られているので、物理点上での核力ポテンシャルの計算が極めて重要であることを示している。
18

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 5：フレーバーSU(3)対称点での格子 QCD 計算から得られた核力ポテンシャルを用いて得られた 4He の基底状態における核子間距離 r [fm]に対する相関関数。陽子間のクーロンポテンシャルも考慮されている。
（4）結合チャンネル手法を用いたバリオン間相互作用の研究
ストレンジネス（S）を含むバリオン間相互作用の研究は、バリオン間の近距離斥力の起源を明らかにする上で重要である。佐々木らは、HAL QCD Collaboration によるポテンシャルの導出方法を結合チャンネル Schrödinger 方程式に拡張しストレンジネ
スを含むバリオン 2 体系のポテンシャル行列を系統的に調べてきた。本年度は、バリオン間の近距離斥力の消失に伴い現れると期待されている H-dibaryon 状態に着目し、S=−2 のバリオン間ポテンシャルを用いてこの状態に関する研究を行った。

計算はPACS-CS Collaboration によって生成された 2+1 フレーバーのゲージ配位を用い、パイオン質量が 700 MeV、570 MeV、410 MeV に対応する 3 つの異なるクォーク質量について結果の解析を行った。これらをそれぞれ Esb1、2、3 と呼ぶことにし、SU(3)対称性の破れもこの順に大きくなっている事に注意する。図 6 は、準備段階ではあるが、Esb1、2、3 のゲージ配位により得られたポテンシャルから計算されたΛΛと NΞの散乱位相差を示している。この図から、クォーク質量が軽くなり、SU(3)の破れが大きくなるにつれて束縛状態にあった H-dibaryon が共鳴状態に移り変わっていく様子を確認する事が出来た。今後はこの散乱位相差の誤差を評価し、H-diabaryon の様子を詳細に調べることを計画している。また、他の系についても解析をすすめ、束縛状態の有無などを調べようと考えている。

19

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 6：Esb1（左）、2（中）、3（右）におけるΛΛと NΞの散乱位相差。
（5）Ω-Ωバリオン間相互作用の研究
Ωバリオンは、クォーク模型の分類におけるフレーバー10 重項のなかで唯一強い相互作用で安定なバリオンである。ストレンジネス S=−6 にあたるΩ-Ω間のポテンシャルを
HAL QCD Collaboration による核力ポテンシャルの導出方法を用いて計算した。フレーバー10 重項の粒子間のポテンシャルの計算は今回が初めてである。今回は、クォーク模型の計算で強い引力があると予想されるトータルスピン J=0 の状態を計算した。
計算には CP-PACS Collaboration が生成した 2+1 フレーバーの現実より重いクォーク
質量（パイオン質量 875 MeV に対応）のゲージ配位を用いた。結果は中心には斥力芯があり、中距離には引力ポケットがあり、束縛状態とは断言できないものの強い引力があることを示唆している（図 7）。

図 7：J=0 であるΩ-Ω間のポテンシャル V [MeV]。横軸はバリオン間の距離 r [fm]。
【５】 有限温度・有限密度 QCD の研究（青木、金谷）
金谷、青木らは、理化学研究所初田主任研究員、新潟大学江尻准教授、広島大学梅田准教授らとの共同研究で、Wilson 型クォークによる有限温度・密度ＱＣＤの研究を引き続き推進した。WHOT-QCD Collaboration のこれまでの主要成果をまとめて、論文10 を発表した。
20

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書（1）固定格子間隔アプローチと T-integral 法による状態方程式の研究
平成 20 年度に開発した T-integral 法に基づく固定格子間隔アプローチは、様々な温度のシミュレーションを、一つの格子スケールで実行する方法である。特に、固定格子
間隔アプローチでは、既存のゼロ温度配位を活用できるメリットがあり、計算時間を大幅に抑えつつ、精度の高い有限温度計算を遂行する可能性を拓いている。平成 20 年度にクェンチ近似による試験研究で方法としての有効性を確認し、平成 21 年度から、現実的な Nf=2+1 でのシミュレーションを進めている。第一段階として Nf=2+1 QCD の有限温度シミュレーションを実行し、u、d クォーク質量が現実より重い点ではあるが、ウイルソン型クォークとして初めて、Nf=2+1 の状態方程式の計算に成功した。この研究では、CP-PACS+JLQCD グループによる Nf=2+1 QCD の温度ゼロでの研究結果と公開されているゼロ温度ゲージ配位を利用することで、計算コストを大幅に削減した（図 8、論文 11）。また、固定格子間隔アプローチで生成された Nf=2+1 QCD の配位、及び平成 20 年度の試験研究で生成されたクェンチ近似の配位を使って、固定格子間隔アプローチによる静的クォークの自由エネルギーを計算し、固定格子間隔法が自由エネ
ルギーの研究においても利点があることを示した（図 9、論文 12）。現在、u、d クォ
ーク質量を物理点まで下げた PACS-CS グループのゼロ温度配位を利用した、物理点での有限温度シミュレーションに向けて、準備を進めている。

図 8：固定格子間隔アプローチによるウイルソン型クォークを用いた有限温度 Nf=2+1
QCD の研究（論文 11）。（左図）くりこまれたポリアコフ ループとその感受率。U、
d クォークは現実より重く、T〜200 MeV あたりが有限温度クロスオーバー温度に相当する。比較のため、スタガード型クォークを用いた固定 Nt アプローチの結果も示した。

21平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書（右図）状態方程式。p はクォーク物質の圧力、εはエネルギー密度、ε−3p はトレース・アノーマリを表す。

3

F1(r,T) [GeV]

6

V(r,T = 0)
T = 232 MeV
T = 279 MeV
T = 348 MeV
T = 464 MeV
T = 696 MeV

Nf = 2 + 1
Nf = 2
Nf = 0

Nf = 2 + 1

5
4

2

3
2

1

1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1

r [fm]

1.5

2

2.5
T / Tc33.54

図 9：固定格子間隔アプローチによる静的クォークの自由エネルギーの研究（論文 12）。
（左図）Nf=2+1 QCD における QQ-bar カラー１重項チャンネルの静的クォーク自由エ
ネルギー。ゼロ温度（T=0）の自由エネルギーはウイルソン・ループの測定により、有限温度の自由エネルギーは２個のポリアコフ・ループの相関から評価した。固定格子間
隔アプローチでは、定数くりこみの調整無しに、自由エネルギーが短距離で温度に依らないことを直接示すことが出来る。右端の矢印は、ポリアコフ・ループ１個の期待値から期待される自由エネルギーの遠距離極限の漸近値。（右図）デバイ遮蔽質量 mD(T)のフレーバー数依存性。縦軸は mD(T)/T、横軸は T/Tc。Tc は相転移温度で、Nf=2+1 では 190 MeV を仮定した。
（5）ヒストグラム法による QCD 有限温度・有限密度相転移の研究
QGP 有限温度・有限密度相転移の性質や次数を判定するうえで、観測量のヒストグ
ラムや、その対数として定義される有効ポテンシャルは、最も直感的な情報を含んでいる。他方、系のパラメータ依存性を調べる上で強力な手法である reweighting 法では、系の作用に現れる物理量に関するヒストグラムを必ず計算する。我々は、これらの物理量のヒストグラムと reweighting 法を組み合わせることにより、相転移次数を容易に判定する解析方法（「ヒストグラム法」）を開発した（論文 10、13）。最初に、方法のテストとして、クォークが重い領域の QCD の相構造を、ポリアコフループなどの有効
ポテンシャルの振る舞いから相構造を研究した。純ゲージ理論の有限温度１次相転移が、動的クォーク効果によりクロスオーバーに変わる臨界点の位置を、一般の化学ポテンシ
22平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ャルの場合に計算した。クォークの有限密度位相項がどう振る舞うかを評価した結果、臨界点の位置に関しては極めて小さいことを示した。これにより、臨界点の位置を、クォーク質量と化学ポテンシャルの関数として計算した（図 10 左）。この成果を受けて、クォークが軽い領域における QCD の有限密度相構造の解明に向けて、研究を進めている。クォークが軽くなると、ポリアコフループは重要な役割を果たさなくなるので、クォーク部分の内部エネルギーに対応する、クォーク行列式そのものに関する有効ポテン
シャルを研究する。Nf=2 QCD の場合に位相項を無視した phase-quenched QCD シミュレーションを実行し、位相の効果を再重み付け法により評価した。まだプレリミナリ
だが、化学ポテンシャルを大きくしてゆくと、クロスオーバー転移が１次転移に変わる点を示唆する結果を得た（図 10 右）。
0.144139,

2.0

T 4.0

1.8
0.002

0.002

P

1.6
0.001

1.4
0.001

1.2

0
0

1.0
0

200

400

600

800 1000 1200 1400

F

図 10：ヒストグラム法による QCD の有限温度相構造の研究。（左）重クォーク領域における Nf=2+1 QCD の臨界面。u、d クォークにだけ化学ポテンシャルμud がかかり、
s クォークにはかかっていない場合の結果。ホッピングパラメータκはクォーク質量の逆数にほぼ比例する量で、κs=0 は ms=∞、κud=0 は mu=md=∞に対応する。図の臨界面の向こう側は有限温度 QCD 転移が１次相転移で、手前はクロスオーバーになっている。（右）クォークが軽い Nf=2 QCD の相構造の研究。有効ポテンシャルの２階微分を、物理量 P（プラケット）と F（クォークの自由エネルギーに関係する量）の関数として示す（プレリミナリ）。この量がゼロになる点で、クロスオーバーが１次相転移になる。
【６】 有限密度 QCD（藏増）
有限密度 QCD 研究のためには、非ゼロ化学ポテンシャル領域での格子 QCD 計算が必要となる。しかし、化学ポテンシャルの導入は「符号問題」を引き起こしてしまう。
そのような困難を克服すべく、藏増、宇川らは、武田（金沢大）とともに符号問題の解
析的研究を行った。具体的には、クォーク行列式を巻き付き展開法を用いて表すことに23

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

より、符号問題の根源である複素位相を解析的に表現し、さらに重質量展開法を適用することによって位相の上限値が格子の空間体積に比例し、時間方向の伸張とともに指数関数的に抑制されることを見出した。我々は先ず小さな格子サイズを用いたテスト計算
によってこの解析的結果を検証し、論文に取り纏めた（論文 14）。その後、次のステップとして数値的に 4 フレーバーQCD に対して有限サイズスケーリング解析を行った。
4 フレーバーQCD はあるクォーク質量領域において一次相転移を起こすことが期待されており、それを示せるか否かは我々の計算手法の良いベンチマークテストとなる。図
11 は「時間方向」の格子サイズを 4 に固定し、空間格子サイズを V=63〜103 まで変化させた場合の様々な物理量に対する感受率のピークの高さの V 依存性を表している。
その依存性が線形であることから、一次相転移と結論することができる。これは世界で初めての有限密度 QCD に対する有限サイズスケーリング解析の応用であり、その有効性を実証できた意義は大きい。現在結果を論文に取り纏めている。

図 11：様々な物理量に対する感受率のピークの高さの空間格子サイズ（V）依存性。
【７】 有限温度における U(1)A 対称性（谷口）谷口は、2 個のクォークを含む Nf=2 QCD において、SU(2)×SU(2)のカイラル対称性の他にアノマリーで破れていた U(1)A 対称性も有限温度で回復する可能性が高いことを青木、深谷(大阪大)両氏と共に示した。具体的には、SU(2)×SU(2)のカイラル対称性が高温で回復することを前提として、その対称性の回復した Ward-Takahashi 恒等
24平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

式をインプットとして、U(1)A 対称性の Ward-Takahashi 恒等式を調査し、U(1)A 対称
性も熱力学的極限を正しく取れば、回復することを示した。有限温度において回復する
対称性の種類は有限温度相転移の次数に強い影響を与えることから、今回の結果は
Nf=2 QCD の相転移の次数が一次であることを強く示唆している（論文 15）。
【８】 Conformal 理論の研究（吉江）Conformal 理論は、素粒子標準模型を越えた理論の候補であるテクニカラー理論との関連で興味深く、近年多くの研究がなされている。吉江は、岩崎筑波大名誉教授、中山Caltech 教授、石川広島大准教授との共同研究で、格子数値シミュレーションによる
conformal 理論の研究を行い、SU(N)ゲージ理論に Nf 個のフェルミオンが結合した系
で、Nf が conformal window 内にある場合の、理論の dynamics に関する新しい知見を得た。つまり、infrared cutoff を持つ"conformal 理論"では、1) フェルミオン質量の大小によって、閉じ込め相と"conformal 相"に分離されること、2)２相間の転移は、１次転移であること、3)"conformal 相"でのメソン伝搬関数 G(t)は、閉じ込め相での時間 t
に関する指数関数型 decay form c・exp(−mt)とは異なり、指数補正のある湯川型のdecay form c’・exp(−m’t)/tαであること、を示した（論文 16）。
【９】 JLDG の改良と運用（吉江、浮田）
国内の格子 QCD 研究者の為のデータグリッド Japan Lattice Data Grid（JLDG）の利便性・可用性の向上のため、吉江は、建部筑波大准教授、天笠筑波大准教授、及び、
JLDG 他拠点担当者と、以下の改良等をおこなった。1) 東京大学、名古屋大学拠点の立ち上げ、2) メタデータサーバと gfarm の更新、3) 筑波大 HA-PACS FE、WG 群への JLDG クライアント機能の組込み、4) KEK スパコンシステム A FE への JLDG クラ
イアント機能の組込み、5) 管理・運用・保守支援業務の外部委託開始。また、HPCI
共用ストレージと JLDG の連携システム構築の為の、技術検討・システム設計をおこ
なった。
4.

教育

【1】 学位論文
1.

斎藤華、博士論文「Finite density QCD in the heavy quark region（クォーク質
量が大きい領域での有限密度 QCD） 」

25平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

2.

崔在敦、修士論文「Phase diagram at finite temperature and chemical potential
in strong coupling limit of lattice QCD （有限温度および化学ポテンシャルにおける格子 QCD の相図の強結合極限）」【2】 非常勤講師・集中講義

1.

青木慎也、東京大学大学院総合文化研究科客員教授2012年4月から2014年3月まで(２年間)。 2012年度は「格子ゲージ理論の基礎と応用」に関する講義を行った。

2.

青木慎也、集中講義「格子ゲージ理論入門」立教大学理学部、2012年6月７-9日

5.

受賞、外部資金、知的財産権等【1】 受賞1.

青木慎也、初田哲男、石井理修「格子量子色力学による核力の研究」、第23回つくば賞（2012年10月17日）、茨城県科学技術振興財団

2.

青木慎也、初田哲男、石井理修「格子量子色力学に基づく核力の導出」、2012年
度仁科記念賞（2012年12月6日）、仁科記念財団【2】 外部資金1.

青木慎也（代表）、高性能汎用計算機高度利用事業費補助金、平成23年度採択、「HPCI戦略プログラム分野5『物質と宇宙の起源と構造』」、492,939,785円

2.

青木慎也（代表）、科学研究費補助金・新学術領域研究、平成20年度採択、「素核宇宙融合による計算科学に基づいた重層的物質構造の解明」、5,900千円

3.

金谷和至（代表）、科学研究費補助金・基盤研究(B)(一般)、平成21年度採択、「物理的クォーク質量における有限温度・有限密度ＱＣＤの格子研究」、3,200千円

4.

金谷和至（分担）、科学研究費補助金・基盤研究(A)、平成23年度採択、「湯川・朝永・坂田記念史料から分析する日本の素粒子物理学者の系譜100」、1,000千円

5.

石塚成人（代表）、科学研究費補助金・基盤研究(B)、平成23年度採択、「格子QCDによるK中間子崩壊振幅の研究」、2,900千円
26

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書6.

藏増嘉伸（代表）、科学研究費補助金・基盤研究(A)、平成22年度採択、「強い相互作用が織り成す物質形態のQCDによる統一的研究」、11,300千円

7.

藏増嘉伸（分担）、科学研究費補助金・新学術領域研究、平成20年度採択、「量子色力学にもとづく真空構造とクォーク力学」、5,100千円

8.

藏増嘉伸（分担）、戦略的創造研究推進事業(CREST)、平成23年度採択、「ポストペタスケールに対応した階層モデルによる超並列固有値解析エンジンの開発」、
1,428千円

9.

吉江友照（分担）、科学研究費補助金・新学術領域研究、平成20年度採択、「分野横断アルゴリズムと計算機シミュレーション」、10,000千円

10. 谷口裕介（代表）、科学研究費補助金・基盤研究(C)、平成22年度採択、「格子上の非摂動論的な繰り込みの実践」、650千円
11. 浮田尚哉（代表）、科学研究費補助金・若手研究(B)、平成24年度採択、「物理点での格子QCD+QED数値計算の実現と陽子荷電半径の計算」、1,200千円
12. 滑川裕介（代表）、科学研究費補助金・基盤研究(C)、平成24年度採択、「格子量子色力学による未発見ハドロン探索」、1,170千円
6.

研究業績

(1) 研究論文
A) 査読付き論文
1.

Y. Nakamura, K.-I. Ishikawa, Y. Kuramashi, T. Sakurai, H. Tadano, Modified
block BiCGSTAB for lattice QCD, Comp. Phys. Commun. 183, No.1 (2012)
34-37

2.

PACS-CS Collaboration: S. Aoki, K.-I. Ishikawa, N. Ishizuka, K. Kanaya, Y.
Kuramashi, Y. Nakamura, Y. Namekawa, M. Okawa, Y. Taniguchi, A. Ukawa,
N. Ukita, and T. Yoshie, 1+1+1 flavor QCD+QED simulation at the physicalpoint, Phys. Rev. D 86, No.3 (2012) ref.034507, pp.1-6

3.

PACS-CS Collaboration: Y. Namekawa, S. Aoki, K.-I. Ishikawa, N. Ishizuka, K.
Kanaya, Y. Kuramashi, M. Okawa, Y. Taniguchi, A. Ukawa, N. Ukita, T.
27

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Yoshie, Charmed baryons at the physical point in 2+1 flavor lattice QCD,
arXiv:1301.4743
4.

T. Yamazaki, K.-I. Ishikawa, Y. Kuramashi, and A. Ukawa, Helium nuclei,
deuteron, and dineutron in 2+1 Flavor lattice QCD, Phys. Rev. D 86, No.7
(2012) ref.074514, pp.1-9

5.

Sinya Aoki, Takumi Doi, Tetsuo Hatsuda, Yoichi Ikeda, Takashi Inoue,
Noriyoshi Ishii, Keiko Murano, Hidekatsu Nemura, Kenji Sasaki (HAL QCD
Collaboration), Lattice QCD approach to Nuclear Physics, Prog. Theor. Exp.
Phys. 2012, No.1 (2012) ref.01A105, pp.1-38

6.

Sinya Aoki, Janos Balog, Peter Weisz, Toward an understanding of shortdistance repulsions among baryons in QCD − NBS wave functions andoperator product expansion − , Prog. Theor. Phys. 128, No.6 (2012) 1269-1282

7.

S. Aoki, J. Balog, T. Doi, T. Inoue, P.Weisz, Short Distance Repulsion Among
Baryons, Int. J. Mod. Phys. E22, No.5 (2013) ref.1330012, pp.1-16

8.

Sinya Aoki, Bruno Charron, Takumi Doi, Tetsuo Hatsuda, Takashi Inoue,
Noriyoshi Ishii, Construction of energy-independent potentials above inelastic
thresholds in quantum field theories, Phys. Rev. D87, No.3 (2013) ref.34512,
pp.1-10

9.

N. Ishii, S. Aoki, T. Doi, T. Hatsuda, Y. Ikeda, T. Inoue, K. Murano, H. Nemura
and K. Sasaki (HAL QCD Collaboration), Hadron-Hadron Interactions from
Imaginary-time Nambu-Bethe-Salpeter Wave Function on the Lattice, Phys.
Lett. B712 (2012) 437-441

10. Shinji Ejiri, Kazuyuki Kanaya, and Takashi Umeda, for the WHOT-QCD
Collaboration, Ab initio study of the thermodynamics of quantum
chromodynamics on the lattice at zero and finite densities, Prog. Theor. Exp.
Phys. 2012, No.1 (2012) ref.01A104, pp.1-35

28

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

11. T. Umeda, S. Aoki, S. Ejiri, T. Hatsuda, K. Kanaya, Y. Maezawa, H. Ohno
(WHOT-QCD Collaboration), Equation of state in 2 + 1 flavor QCD withimproved Wilson quarks by the fixed scale approach, Phys. Rev. D 85, No.9
(2012) ref.094508, pp.1-11
12. Y. Maezawa, T. Umeda, S. Aoki, S. Ejiri, T. Hatsuda, K. Kanaya and H. Ohno
(WHOT-QCD Collaboration), Application of fixed scale approach to static
quark free energies in quenched and 2 + 1 flavor lattice QCD with improved
Wilson quark action, Prog. Theor. Phys. 128, No.5 (2012) 955-970
13. S. Ejiri, S. Aoki, T. Hatsuda, K. Kanaya, Y. Nakagawa, H. Ohno, H. Saito, T.
Umeda (WHOT-QCD Collaboration), Numerical study of QCD phase diagramat high temperature and density by a histogram method, Cent. Eur. J. Phys. 10,
No.6 (2012) 1322-1325
14. Shinji Takeda, Yoshinobu Kuramashi, and Akira Ukawa, Phase of quark
determinant in lattice QCD with finite chemical potential, Phys. Rev. D85 No.9
(2012) ref.096008, pp.1-12
15. S. Aoki, H. Fukaya and Y. Taniguchi, Chiral symmetry restoration, theeigenvalue density of the Dirac operator, and the axial U(1) anomaly at finite
temperature, Phys. Rev. D 86, No.11 (2012) ref.114512, pp.1-18.
16. K.-I. Ishikawa, Y. Iwasaki, Yu Nakayama and T. Yoshie, Conformal theories
with an infrared cutoff, Phys. Rev. D87, No.7 (2013) ref.071503(R), pp.1-5

B) 査読無し論文
1.

Y. Namekawa for PACS-CS collaboration, Charmed baryon spectroscopy on thephysical point in 2+1 flavor lattice QCD, PoS (LATTICE 2012) (2012) ref.139,
pp.1-7

2.

Y. Taniguchi, Non-perturbative evaluation of cSW for smeared link clover
fermion with Iwasaki gauge action, PoS (LATTICE 2012) (2012) ref.236, pp.1-7
29

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

3.

N. Ishii for HAL QCD Collaboration, 2+1 flavor QCD result of nuclear forces,
Proceedings of the 20th International IUPAP Conference on Few-Body
Problems in Physics, Few-Body Systems in press

4.

N. Ishii for HAL QCD Collaboration, Baryon-baryon Interactions from Lattice
QCD, PoS (CD12) ref.025, to be appeared5.

H. Nemura for HAL QCD Collaboration, Lambda N and Sigma N interactions
from lattice QCD, Proceedings of the 20th International IUPAP Conference on
Few-Body Problems in Physics, Few-Body Systems in press

6.

H. Nemura for HAL QCD Collaboration, Lattice calculation of baryon-baryon
interaction and few-body systems, Proceedings of the International Workshop
on Strangeness Nuclear Physics, to be published in Genshikaku Kenkyu Suppl.

7.

K. Sasaki for HAL QCD Collaboration, Quark mass dependence of hyperonicinteractions from lattice QCD, PoS (LATTICE 2012) (2012) ref.157, pp.1-7

8.

K. Sasaki for HAL QCD Collaboration, Coupled channel approach to S-wave
hyperonic interactions from lattice QCD, Proceedings of the 20th International
IUPAP Conference on Few-Body Problems in Physics, Few-Body Systems in
press

9.

T. Umeda, S. Aoki, S. Ejiri, T. Hatsuda, K. Kanaya, Y. Maezawa, H. Ohno
(WHOT-QCD Collaboration), Thermodynamics in 2 + 1 flavor QCD withimproved Wilson quarks by the fixed scale approach, PoS (LATTICE 2012)(2012) ref.074, pp.1-7

10. S. Ejiri, Y. Nakagawa, S. Aoki, K. Kanaya, H. Saito, T. Hatsuda, H. Ohno, T.
Umeda (WHOT-QCD collaboration), Probability distribution functions in thefinite density lattice QCD, PoS (LATTICE 2012) (2012) ref.089, pp.1-7
11. Y. Nakagawa, S. Ejiri, S. Aoki, K. Kanaya, H. Saito, H. Ohno, T. Hatsuda, T.
Umeda (WHOT-QCD Collaboration), Phase structure of finite density QCD
with a histogram method, PoS (LATTICE 2012) (2012) ref.092, pp.1-730

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(2) 国際会議発表
A) 招待講演1.

Sinya Aoki 「Chiral symmetry restoration and eigenvalue density of Dirac
operator at finite temperature」（招待講演）, Workshop ’New Horizons for
Lattice Computations with Chiral Fermions’ (BNL, Upton, NY, USA, May
14-16, 2012)2.

Yoshinobu Kuramashi 「1+1+1 flavor QCD+QED simulation at the physicalpoint」（招待講演）, Workshop ’New Horizons for Lattice Computations with
Chiral Fermions’ (BNL, Upton, NY, USA, May 14-16, 2012)

3.

Y. Namekawa 「Charm quark physics from lattice QCD」（招待講演）,
International Workshop on heavy quark hadrons at J-PARC of Technology
2012 (Tokyo, Japan, Jun. 18-22, 2012)4.

Sinya Aoki 「Hadron interactions in lattice QCD」（招待講演）, Lattice Hadron
Physics IV (CSSM, University of Adelaide, Adelaide, Australia, Jul. 2-4, 2012)5.

Yoshinobu Kuramashi 「Lattice QCD – From quarks to nuclei –」（招待講演）,
10th International Meeting on High-Performance Computing for
Computational Science (VECPAR2012) (Kobe University, Kobe, Jul. 17-20,
2012)

6.

Sinya Aoki 「Hadron interactions from lattice QCD」（招待講演）, INT
Program ’Lattice QCD studies of excited resonances and multi-hadron systems’(INT, Seattle, USA, Jul. 30-Aug. 31, 2012)

7.

N. Ishii for HAL QCD Collaboration,「Baryon-baryon interaction from lattice
QCD」（招待講演）, The 7th International Workshop on Chiral Dynamics (CD12)(Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Newport News, Virginia,
USA, Aug. 6-10, 2012)31平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

8.

Sinya Aoki「Chiral symmetry restoration, eigenvalue density of Dirac operator
and axial U(1) anomaly at finite temperature」（招待講演）, Workshop ’New
Frontiers in Lattice Gauge Theory’ (GGI, Florence, Italy, Aug. 27-Sep. 28,
2012)

9.

K. Sasaki for HAL QCD Collaboration 「Strangeness S=-2 baryon-baryon
systems from Lattice QCD」（招待講演）, Tours2012, VIII Tours symposium on
Nuclear physics and Astrophysics on Black Forest (Lenzkirch-Saig, Germany,
Sep. 2-7, 2012)

10. H. Nemura for HAL QCD Collaboration 「Lattice Calculation of Hyperon
Potential and Few-Body System」, The 2nd Korea-Japan Workshop on Nuclear
and Hadron Physics at J-PARC (Busan, Seoul, Sep. 24-25, 2012)
11. Sinya Aoki 「Hadron interactions from lattice QCD」（招待講演）,
Workshop ’New Frontiers in Lattice Gauge Theory’ (GGI, Florence, Italy, Aug.
27-Sep. 28, 2012)
12. Sinya Aoki 「Computing Nuclear Force in Lattice Gauge Theory」（招待講演）,
QCD Stucture I (Central China Normal University, Wuhan, China, Oct. 7-20,
2012)
13. K. Kanaya 「Finite density QCD with Wilson quarks using the histogram
method」（招待講演）, International workshop ”QCD Structure I” (Wuhan, China,
Oct. 7-20, 2012)
14. Sinya Aoki 「Hadron interaction from lattice QCD」
（招待講演）, KMI workshopon ”Strong Coupling Gauge Theories in the LHC Perspective”, (Sakata-Hirata
Hall, Nagoya University, Nagoya, Japan, Dec. 4-7, 2012)15. Sinya Aoki 「Quarks to Universe in computational science」（招待講演）,
Symposium ”Quarks to Universe in Computational Science” (QUCS2012)(Nara New City Hall, Nara, Japan, Dec. 13-16, 2012)32

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

16. Sinya Aoki 「Nuclear force in lattice QCD」（招待講演）, KEK theory center
workshop on ’Hadron physics with high-momentum hadron beams at J-PARC
in 2013’ (KEK Tsukuba Campus, Japan, Jan. 15-18, 2013)
17. K. Sasaki for HAL QCD Collaboration「Baryon-baryon interactions in
strangeness sector from lattice QCD」（招待講演）, Workshop on Future
Prospects of Hadron Physics at J-PARC and Large Scale Computational
Physics in 2013 (Tokai, Japan, Feb. 11-13, 2013)
18. K. Kanaya 「Finite density QCD on the lattice with a histogram method」（招待講演）, International workshop on ”Quarks, Gluons, and Hadronic Matter
under Extreme Conditions” (St. Goar, Germany, Mar. 18, 2013)

19. K. Kanaya 「Finite density QCD with a histogram method」（招待講演）, School
and workshop ”New Horizons in Lattice Field Theory” (Natal, Brazil, Mar. 25,
2013)B) 一般講演1.

Sinya Aoki 「Chiral symmetry restoration and eigenvalue density of Dirac
operator at finite temperature」, The 30th International Symposium on Lattice
Field Theory (Cairns Center, Cairns, Australia, Jun. 24-29, 2012)

2.

Y. Taniguchi 「Non-perturbative evaluation of cSW for smeared link clover
fermion with Iwasaki gauge action」, The 30th International Symposium on
Lattice Field Theory (Lattice 2012) (Cairns Convention Centre, Cairns,
Australia, Jun. 24-29, 2012)

3.

N. Ishii for HAL QCD Collaboration 「2+1 flavor QCD results of nuclear forces」,
The 30th International Symposium on Lattice Field Theory (Lattice 2012)(Cairns Convention Center, Cairns, Australia, Jun. 24-29, 2012)33

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

4.

Y. Namekawa 「Charmed baryon spectroscopy on the physical point in 2+1
flavor lattice QCD」, The XXX International Symposium on Lattice Field
Theory (Cairns, Australia, Jun. 24-29, 2012)

5.

K. Sasaki for HAL QCD Collaboration 「Quark mass dependence of hyperonicinteractions from lattice QCD」, The 30th International Symposium on Lattice
Field Thoery (Lattice 2012) (Cairns Convention Center, Cairns, Australia, Jun.
24-29, 2012)

6.

N. Ishii for HAL QCD Collaboration 「2+1 flavor QCD results of nuclear forces」,
The 20th International IUPAP Conference on Few-Body Problems in Physics(Fukuoka, Japan, Aug. 20-25, 2012)

7.

H. Nemura for HAL QCD Collaboration「Lambda N and Sigma N interactions
from lattice QCD」, The 20th International IUPAP Conference on Few-Body
Problems in Physics (Fukuoka, Japan, Aug. 20-25, 2012)

8.

K. Sasaki for HAL QCD Collaboration 「Coupled channel approach to S-wave
hyperonic interactions from lattice QCD」, The 20th International IUPAP
Conference on Few-Body Problems in Physics (Fukuoka, JAPAN, Aug. 20-25,
2012)

9.

H. Nemura for HAL QCD Collaboration「Lattice calculation of baryon-baryon
interaction and few-body systems」, The International Workshop on
Strangeness Nuclear Physics (Osaka, Japan, Aug. 27-29, 2012)

10. K. Sasaki for HAL QCD Collaboration 「Coupled channel approach to
hyperonic interactions from lattice QCD」, HYP2012-XI International
Conference on Hypernuclear and Strange Particle Physics (Barcelona, Spain,
Oct. 1-5, 2012)
11. Y. Namekawa 「Charmed baryons from lattice QCD」, Hadron Structure andInteractions 2012 (Osaka, Japan, Nov. 16-17, 2012)34

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

12. K. Sasaki for HAL QCD Collaboration 「Coupled channel approach to S=-2
baryon-baryon system in Lattice QCD」, International Symposium on ”Quarks
to Universe in Computational Science (QUCS 2012)” (Nara New City Hall,
Nara, Japan, Dec. 13-16, 2012)
13. M. Yamada 「Omega-Omega interaction on the Lattice」, Symposium:Quarks toUniverse in Computational Science (QUCS 2012) (Nara New City Hall, Nara,
Japan, Dec.13-16, 2012)
14. H. Nemura for HAL QCD Collaboration 「Hyperonic nuclear forces from lattice
QCD and toward an application to few-body systems」, YITP workshop Nuclear
equation of state and hypernuclear physics (Kyoto, Japan, Jan. 4-31, 2013)
15. Y. Namekawa「Charm quark physics from lattice QCD at the physical point」,
Future Prospects of Hadron Physics at J-PARC and Large Scale
Computational Physics (Ibaraki, Japan, Feb. 11-13, 2013)
16. H. Nemura for HAL QCD Collaboration 「Hyperonic potentials from lattice
QCD and toward an application to few-body problems 」, The 5th GCOE
International Symposium on ”Weaving Science Web beyond Particle-Matter
Hierarchy (Sendai, Japan, Mar. 4-6, 2013)(3) 国内学会・研究会発表
A) 招待講演1.

青木慎也「はじめに」（招待講演）, 新学術領域「素核宇宙融合」×「新ハドロン」
クロスオーバー研究会（名古屋大学, 名古屋, Jul. 12-13, 2012）2.

滑川裕介「Charm quark system on the physical point in 2+1 flavor lattice QCD」
（招待講演）, 新学術領域「素核宇宙融合」×「新ハドロン」クロスオーバー研究会(名古屋大学, 名古屋, Jul. 12-13, 2012)35

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書3.

金谷和至「Lattice QCD at finite T and μ – updates from Lattice 2012」(招待講演), 基研研究会「熱場の量子論とその応用2012」(京都大学基礎物理学研究所, 京都, Aug. 22-24, 2012)

4.

藏増嘉伸「京コンピュータとHPCI戦略プログラム分野5」（招待講演）, 日本物理学会2012年秋季大会理論核物理領域-素粒子論領域-宇宙線・宇宙物理領域合同シンポジウム「動き出した京コンピュータと素粒子・原子核・宇宙の計算物理」(京都産業大学, 京都, Sep. 11-14, 2012)5.

青木慎也「HAL QCD」（招待講演）, 第25回理論懇シンポジウム「計算宇宙物理学の新展開」(つくば国際会議場中ホール300, つくば, Dec. 22-24, 2012)

6.

藏増嘉伸「計算素粒子物理学のフロンティア」（招待講演）, 日本物理学会第68回年次大会素粒子論領域-理論核物理領域-領域3-9-領域11-12合同シンポジウム「エクサスケールに向けて歩み出す計算物理学」(広島大学東広島キャンパス, 東
広島, Mar. 26-29, 2013)

B) その他の発表
1.

石塚成人「Resonance on the lattice」, 新学術領域「素核宇宙融合」×「新ハドロン」クロスオーバー研究会（名古屋大学, 名古屋, Jul. 12-13, 2012）2.

佐々木健志 for HAL QCD collaboration 「Coupled Channel Approach to
Baryon-Baryon Interactions in Lattice QCD」, 新学術領域「素核宇宙融合」×「新ハドロン」クロスオーバー研究会（名古屋大学, 名古屋, Jul. 12-13, 2012）3.

石井理修 for HAL QCD Collaboration 「PACS-CSゲージ配位を用いた2+1 flavor
QCDによる核力ポテンシャル」, 日本物理学会2012年秋季大会（京都産業大学, 京
都, Sep. 11-14, 2012）4.

滑川裕介「物理点における2＋1フレーバー格子フルQCDシミュレーションによる
チャームバリオンの研究」, 日本物理学会2012年秋季大会（京都産業大学, 京都,
Sep. 11-14, 2012）36

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書5.

佐々木健志 for HAL QCD collaboration 「格子QCDによるハイペロン間相互作用のクォーク質量依存性の研究」, 日本物理学会2012年秋季大会（京都産業大学, 京
都, Sep. 11-14, 2012）6.

吉江友照「HEPnet-J/sc報告」, HEPnet-Jユーザー会（九州大学, 福岡, Feb. 20-21,
2013）

7.

吉江友照「JLDGの現状と計画」, HPCI戦略プログラム分野5「物質と宇宙の起源と構造」全体シンポジウム（秋葉原, 東京, Mar. 5-6, 2013）8.

佐々木健志 for HAL QCD collaboration 「格子QCDによるS=−2バリオン間相互作用のクォーク質量依存性の研究」, HPCI戦略プログラム分野5「物質と宇宙の起源と構造」シンポジウム（秋葉原, 東京, Mar. 5-6, 2013）9.

吉江友照「HPCI共用ストレージ・JLDG連携」, HPCIシステム利用研究課題中間報告会（内幸町, 東京, Mar. 15-16, 2013）

10. 齋藤華「格子QCD シミュレーションにおけるβ関数の計算に関する研究」, 日本
物理学会第68回年次大会（広島大学東広島キャンパス, 東広島, Mar. 26-29, 2013）(4) 著書、解説記事等

1.

藏増嘉伸「スーパーコンピュータ京と量子論の数値計算」パリティ2013年1月
号丸善出版

2.

青木慎也、石井理修、初田哲男、根村英克「QCD による核力研究とその展開」
日本物理学会誌2012年67巻11号

3.

青木慎也「2012 年ゴートン・ベル賞：石山智明氏、似鳥啓吾氏、牧野淳一郎
氏」日本物理学会誌2013年68巻3号

4.

山田信博監修、「科学の芽」賞実行委員会編（岩崎洋一, 白川秀樹, 金谷和至
他著）「もっと知りたい！『科学の芽』の世界part 3」筑波大学出版会（2012）

7.

1.

異分野間連携・国際連携・国際活動等

計算基礎科学連携拠点37平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

http://www.jicfus.jp/jp/
2.

High Performance Computing Infrastructure (HPCI) 戦略プログラム
http://www.jicfus.jp/field5/jp/

3.

International Lattice Data Grid (ILDG)
http://ildg.sasr.edu.au/Plone

4.

Japan Lattice Data Grid (JLDG)
http://www.jldg.org/jldg/, http://ws.jldg.org/QCDArchive/index.jsp
8.

1.

シンポジウム、研究会、スクール等の開催実績

青木慎也 他、新学術領域「素核宇宙融合」×「新ハドロン」、HPCI戦略プログ
ラム分野5共催クロスオーバー研究会 −多彩なフレーバーで探る新しいハドロン
存在形態の包括的件研究− 共催、2012年7月12、13日、名古屋大学坂田・平田ホール、名古屋（参加者75名）

2.

青木慎也 他、新学術領域「素核宇宙融合による計算科学に基づいた重層的物質構造の解明」/HPCI戦略プログラム分野5「物質と宇宙の起源と構造」/京都大学基礎物理学研究所主催サマースクール「クォークから超新星爆発まで」−基礎物理の理
想への挑戦−、2012年7月27日-31日、京都大学基礎物理学研究所、京都（参加者61名）

3.

青木慎也 他、新学術領域「素核宇宙融合による計算科学に基づいた重層的物質構造の解明」/HPCI戦略プログラム分野5「物質と宇宙の起源と構造」
Symposium: ’Quarks to Universe in Computational Sciences (QUCS 2012)’, 主
催、2012年12月13日-16日、奈良新公会堂、奈良（参加者101 名）
9.

管理・運営

1.

青木慎也、運営委員会委員、運営協議会委員

2.

吉江友照、共同研究運用委員会委員

3.

吉江友照、藏増嘉伸、計算機システム運用委員会委員
10. 社会貢献・国際貢献なし
38平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

11. その他なし

39平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

II 宇宙・原子核物理研究部門
II-1. 宇宙分野
1.

メンバー
教授

梅村 雅之

准教授

森

講師

吉川 耕司

准教授

正夫

岡本 崇（HPCI 戦略プログラム）

助教

川勝 望（理数学生応援プロジェクト）

研究員

谷川 衝（科研費基盤Ｓ）

行方 大輔（科研費基盤Ｓ）
川口 俊宏（科研費基盤Ａ）
石山 智明（HPCI 戦略プログラム）
長谷川 賢二（HPCI 戦略プログラム）
Alexander Wagner（センター）
学生

2.

大学院生

１２名

学類生

１名

概要

本年度，当グループスタッフは， FIRST プロジェクトを推し進めると共に，FIRST,
T2K-Tsukuba を用いて，宇宙論的銀河形成シミュレーション，粒子法輻射流体による宇宙
再電離シミュレーション，メッシュ流体用高速輻射輸送計算，大質量ブラックホール多体系におけるブラックホールの合体成長，ダークマタ―ハローの内部構造：コア―カスプ問題，
アンドロメダの涙とさざめき，銀河系中心領域の特異な物理環境が分子雲形成に与える影響，6 次元 Vlasov 方程式による自己重力系数値シミュレーションの研究を行った。さらに，
AVX 命令版 Phantom-GRAPE の開発，HA-PACS に向けたアプリケーションの開発，「京」
を用いた銀河形成シミュレーションを行った。また，宇宙・生命・物性・原子核分野連携
で星間空間における光誘起 L 型アミノ酸過剰，系外惑星における光合成アンテナ機構の理論的研究を行った。また，プレ戦略イニシアティブ「アクセラレータによる銀河輻射流体
力学の幕開け」（代表者 森正夫）の継続が採択され，輻射流体力学実現のための演算加速器を搭載した並列計算機システム構築を開始し，プロトタイプの制作を行った。
3.

研究成果

【１】 一般相対論的 N 体計算による巨大ブラックホール合体過程
巨大ブラックホールは銀河中心に観測され，ブラックホール質量は銀河バルジ
質量の約 1/1000 になっているという“ブラックホール‐バルジ質量関係”が見出さ40

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

れている（Kormendy & Richstone 1995; Magorrian et al. 1998; Merrifield et al.
2000; Merritt & Ferrarese 2001, Marconi & Hunt 2003）。これは，巨大ブラック
ホール形成が，銀河バルジ形成史と密接に関係し，ブラックホール質量を決める
普遍的な物理メカニズムが存在したことを示唆する。宇宙の階層的天体形成論に従えば，大きな銀河は小銀河の集合体として生まれることになり，大きな銀河には多数の巨大ブラックホールが存在することになる。これは，銀河の中心にブラックホール‐バルジ質量関係を満たす巨大ブラックホールが一つあるという観測事実を説明できない。可能性の一つは，銀河が合体した際に，ブラックホールも全て合体して，銀河中心に落ちるというものである。しかし，これまで巨大ブラックホールの合体は極めて難しいとされてきた。我々は，ブラックホールを持つ銀河が合体した後，ブラックホール合体が起こるかという問題を，一般相対論効

一般相対論的Ｎ体計算によるブラックホール合体条件と観測との比較
シミュレーションによって得られたブラックホール合体条件

z=7 ライマンαエミッターの光度関数

線に付けられた数値は仮定した質量－光度比
縦の波線より左側で合体が可能

Ouchi et al. 2009

Tanikawa & Umemura 2012

果を入れた高精度 N 体計算により調べた。銀河バルジの中に 10 個の巨大ブラック
ホールを置いて計算した結果，銀河中の星密度が高い場合には，星による力学的摩擦が有効に働き，ブラックホールは銀河中心に落ちることで多重散乱を繰り返し，連ブラックホールが生まれ，連ブラックホールは他のブラックホールとの散乱の結果，重力波を放出して合体することが分かった。そして，ブラックホール
合体がどのような銀河で起こりうるかということを解析した結果，すばる望遠鏡
で見えている赤方偏移 z=7 のライマンアルファ・エミッターで，ブラックホール

41

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

合体過程が起こっている可能性を示した（下図）。
【２】 第一世代天体の輻射流体計算
宇宙で最初に生まれた天体(第一世代天体)は，従来の計算では 106Mのダーク
マターハローに 105M程度のバリオン
ガスが蓄積されて形成されるとされてきた。しかしながら，従来の研究では，ダークマターの小スケールでの振る舞い，
特にダークマター・カスプの成長についてはあまり注目されてこなかった。そこ
で，我々は計算領域の全体を可能な限り高解像度にした数値計算で，ダークマタ
ー・カスプの成長を分解できるようにし，第一世代天体の形成と進化を調べた。
この計算では，ダークマターと流体粒子をそれぞれ約 1 億体(5123 体)使い，計算領域の全体にわたってバリオンとダークマター質量解像度としてそれぞれ
0.046Mと 0.22 M を実現した（右図）。その結果，第一世代天体の質量は従来の計算で求められていた質量より 2 桁近く小さくなる（103M程度）ことがわかった。この結果の一部は，既に特別推進研究で得られていたものであるが，その後の解析で，ダークマター・カスプの重力ポテンシャルが，ビリアル温度を上昇させ，その結果水素分子冷却の熱的不安定を引き起こすことで小質量の天体形成が可能になることを明らかにした（Umemura et al. 2012）。
【３】 原始銀河形成と宇宙再電離
宇宙は赤方偏移 z=1000 程度で一度中性化し，その後形成された天体からの輻射によって再び電離したと考えられている。クエーサー吸収線系を利用した観測(e.g., Fan et al. 2006)
では，z=6 程度ではすでに宇宙は高度に電離されている事が示されているが，この宇宙再電離過程がいつ始まり，どのように進んだかは未だ明らかではない。宇宙再電離史を解き明
かすには，銀河間空間への電離光子供給源である天体の形成史とそれに伴う電離領域の進化過程を同時に計算する必要があるが，この天体形成史自体に輻射性フィードバックが影響を及ぼす為，輻射流体計算が必要となる。このような計算では，多くの放射源を取り扱う必要がある為，非常に膨大な計算コストが要求される。
そこで，我々は独自に開発したツリー構造を用いて高速に輻射輸送計算を行えるスキー
ム START (SPH with Tree-based Accelerated Radiative Transfer) (Hasegawa &Umemura 2010)を宇宙論的輻射流体計算に対応できるように拡張し，これを用いて宇宙再42

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

電離シミュレーションを行った。その結果，宇宙の星形成史は主に光加熱効果によって著しく阻害される事を示した(Hasegawa & Semelin 2013)。また，再電離過程にとって重要な鍵となる電離光子の銀河からの脱出割合は，紫外線のフィードバックで高密度領域がならされる事によって上昇する事も分かった(Umemura et al. 2012)。
また，今年度は京のような大規模並列計算機で効率が出せるよう START のアルゴリズムの改善も行った。その結果，数 1000 並列以上での計算であっても非常によいスケーラビリ
ティを実現する事を可能にし，演算数自体もおよそ半分にする事に成功した(START2:
Hasegawa in prep.)。
【４】 「京」を用いたダークマターシミュレーション
理化学研究所の京コンピュータ上で，重力多体シミュレーション用コード"GreeM" をチューニングした。我々は，数万や数十万並列でもスケールするように以下の最適化を行った。
1) 大規模な全対通信の階層化。まず全ノードをいくつかのグループに分割する。この時，空間的に近い領域を担当するノードが同じグループになるようにする。そしてグループ内
での全対通信を行ってから，グループ間で通信するというように2 段階に分けて通信を行うことによって全対通信の実行時間を抑制した。
2) 領域形状を過去の数ステップに渡って平均化することにより，サンプリングによるステップ間の形状のばらつきを抑え，粒子再配分の通信コストの抑制。
3)

MPI+OpenMP によるハイブリッド並列化
こうして京コンピュータ上でほぼ完璧なスケーラビリティを実現した。さらに2兆ダーク

マター粒子の重力進化シミュレーションを，京コンピュータのほぼ全システムを用いて，5.67 ペタフロップスの実効性能(実行効率55%) で実現した。これらの成果が認められ，ハイ・パフォーマンス・コンピューティングに関する国際会議SC12（2012 年11月，米国・
ソルトレイクシティ開催）において，ゴードン・ベル賞を単独受賞した。ゴードン・ベル
賞ファイナリストには，ピーク性能が20 ペタフロップス(「京」の約2倍) の「セコイア」（( 米
国・ローレンス・リバモア国立研究所）を用いて，同様のダークマターシミュレーション
で14 ペタフロップスを達成した米国のグループがあった。ところが我々のコードが実際の計算速度で上回り，1 粒子あたり2.4 倍の速さでシミュレーションをすることが可能であった(同じ計算機を用いた場合は5 倍近く速い)。こういった点が評価され，ゴードン・ベル賞の受賞につながったようである。
【５】 活動銀河核ジェットのプラズマ組成の研究
活動銀河核から噴出する相対論的ジェットのプラズマ組成が，電子・陽子なのか， それ43平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

とも電子・陽電子であるかという根本的な問題は未だ明らかになっていない。 これは，相対論的ジェットの形成メカニズムや宇宙線の起源とも関連する宇宙物理学において最重要
テーマの１つである。これまで，バルクコンプトン と呼ばれる２次的放射の有無，シンク
ロトロン自己吸収や円偏波成分から， ブレーザージェット中のプラズマ組成についての議論がされてきた。 しかし，プラズマ組成と密接に関係する真のジェットパワーを評価する
ことは 困難であり，従来の手法では放射光度から類推するほかなかった。 この問題を解決するために，我々は，ジェットエネルギーの貯蔵庫である 膨張コクーン力学に注目し，真のジェットパワーと年齢を評価する方法 (Kino and Kawakatu 2005; Ito et al. 2008)，さらにはコクーン内での 各成分（電子，陽電子，陽子）の分圧から相対論的ジェットの組成に制限をつける方法を提唱した。(Kino, Kawakatu, Takahara 2012)。本研究では，膨張コクーン力学により真のジェットパワーが求められている FRII 型電波銀河 Cygnus A, 3C219,
3C223, 3C284 に対して，同様の方法を適応し解析を行った。その結果，Cygnus A を含む
４つの FRII 電波銀河はエディントン光度に匹敵するパワフルなジェットを持つにも関わらず，いずれの場合もペアプラズマが 混在することが分かった。つまり，4 天体のジェット
組成は電子・陽子プラズマだけでは説明できず，陽電子の存在を示唆するものである(Kawakatu, Kino, Takahara in preparation)。
【６】 ダークマタ―ハローの内部構造：コア―カスプ問題
宇宙の構造形成のパラダイム，コールドダークマター(CDM)シナリオは， N 体
シミュレーションによるとダークマター(DM)ハロー中心部で質量密度が発散する(カスプ)構造を予言する(Navarro, Frenk & White 1997; Fukushige & Makino
1997)。 しかし，その観測結果によると，矮小銀河の密度は中心部で発散せず，一定となる(コア)ことが報告されている (Swaters et al. 2003; Spekkens et al.
2005; Oh et al. 2010)。この理論と観測の不一致は''コア—カスプ問題''と呼ばれ，
CDM シナリオの未解決問題の一つである。今回我々は，''超新星爆発により矮小銀河内のガスが加熱・膨張し，やがて放射冷却・収縮が起こり再び星形成が起こる，という一連の過程の繰り返しの重力場変動によりカスプがコアへと遷移する
か''を N 体シミュレーションを用いて調べた。ここでバリオンの重力場は周期的に時間変化する外場によって表現した。その結果バリオンの重力場変動の時間スケールに依存して DM ハローに形成されるコアの大きさや位置が大きく変化する事がわかった。また，DM ハローの粒子群と外場間で起こる共鳴的な現象に対する解
析的なモデルを構築した。この共鳴モデルによって，コア半径が重力場の時間変動周期と関係があることを突き止めた。
【７】 アンドロメダの涙とさざめき44平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

近年，ハッブル宇宙望遠鏡やすばる望遠鏡に代表される地上大型望遠鏡を最大限活用した近傍の深宇宙探査により，現在も続く銀河進化の過程を垣間見ることができるようになってきた。アンドロメダ銀河周辺においては，おびただしい数の暗い矮小銀河が発見されるとともに，それら矮小銀河の衝突によるものと思われるステラーストリームやステラーシェル等の痕跡が続々と明らかにされてきている。特にアンドロメダの涙（アンドロメダストリーム）に関しては，観測・理論の両面からの研究が進展してきており，銀河衝突の際の軌道運動やその時期，衝突した銀河の質量や化学組成等について理解が進んできている。我々は，N 体
計算と 3 次元の流体力学計算を組み合わせたハイブリッドシミュレーションにより，アンドロメダ銀河の円盤ガスと矮小銀河に付随するガスの流体力学的な相互作用の詳細について調べた。銀河円盤ガスと矮小銀河ガスの相互作用により発生する銀河円盤ガスの流体力学的な挙動と，アンドロメダの円盤ガスで観測されているリング状構造の生成過程について詳細な解析を行った。また，矮小銀河の軌
道運動の初期条件依存性について大規模パラメータサーベイを行い，観測を再現する軌道要素を求めた。
【８】 銀河ハロー中を漂う巨大ブラックホールへのガス降着とその広波長域放射
各銀河はそれぞれの中心に巨大ブラックホールを宿す。また，銀河は周辺の銀河と衝突・合体し，吸収合併する事でその質量を成長させてきたと考えられる。
これらの事から，銀河衝突により衛星銀河が壊された後しばらくの間，元衛星銀河の中心巨大ブラックホールが親銀河のハロー中を漂っていると期待される。隣の銀河であるアンドロメダ銀河は，この銀河衝突による銀河とブラックホールの共進化を理論と観測の両面から理解する上で，最上の実験場である。詳細な観測と数値実験の比較により，約 10 億年昔に衛星銀河が衝突し，今現在，元衛星銀河の破片がアンドロメダ銀河周辺に痕跡として残っている事がわかっている。この
元衛星銀河の中心巨大ブラックホールが，ハローの希薄ガスを Bondi 降着により吸い込む時に形成される降着円盤の広波長域放射を計算した。様々な検出装置の感度と比較したところ，電波領域の既存装置で十分検出可能である事がわかった。
【９】

宇宙論的銀河形成シミュレーション45

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ガスの冷却や星形成, 超新星爆発等の物理過程を取り入れた宇宙論的銀河形成
シミュレーションを用いて以下のような研究を行った (i) 遠方宇宙の星形成銀河であるラサブミリ波で明るく輝くサブミリ銀河の物理的性質を明らかにした(Shimizu et al. 2012ab). (ii) 銀河系サイズの銀河を高分解能な宇宙論的シミュレーションで形成し, 銀河系バルジの形成について調べた. 擬バルジと呼ばれる構造が今まで考えられていたような円盤の永年進化ではなく高赤方偏移の爆発的星形成で形成されるという新しい描像を提案した (Okamoto 2013). また, 様々なグループ間での銀河形成モデルを比較するプロジェクトにも参加した(Scannapieco et al. 2012).

6 次元位相空間上の Vlasov-Poisson シミュレーション【１０】

無衝突自己重力系の数値シミュレーションでは，これまで N 体シミュレーションが幅広く用いられてきたがニュートリノなどの速度分散が大きい成分の無衝突減衰を正確に取り扱
うには不向きであった。この N 体シミュレーションの弱点を克服する手法として 6 次元位相空間上での無衝突ボルツマン方程式を有限体積法によって直接数値シミュレーションする手法を世界で初めて開発した。本年度は，宇宙論的な大規模構造形成の数値シミュレー
ションに応用できるように共動座標系での無衝突ボルツマン方程式の数値解法を開発した。

【１１】 GPU を利用した輻射輸送シミュレーションコードの開発
輻射輸送は宇宙物理学の数値シミュレーションにおいて重要な役割を果たすが，多数の光源からの輻射輸送計算は計算コストが膨大となり，大規模な計算や流体力学と組み合わせた輻射流体計算の実行は困難であった。我々は多数の光源からの輻射輸送を高速に計算する ARGOT (accelerated radiation transfer on grids
using oct tree) 法を GPU を用いてさらに高速化することに成功した。また，GPUを搭載した大規模クラスターシステムである HA-PACS 上でノード並列化を行っ
た。

【１２】

AGN の輻射にさらされた分子雲の進化についての研究

活動銀河核(AGN)は，宇宙で最も明るい天体の 1 つであり，その光度は銀河本体に匹敵する。光の大部分は，電離能力を持った紫外光，及び，X 線の波長帯で放射されるため，母銀河の進化に大きな影響を与えたと一般に考えられている。しかし，AGN の活動性の詳細がどのように決定されるかは明らかでない。そこで，本研究では，AGN 現象の持続性の理解を進めることを目的として，ガス供給に重要な役割を果たすと期待される光学的に厚い分子雲の輻射流体計算を行った。その結果，分子雲表面での電離パラメータの大きさに応46

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

じて，分子雲の進化は 2 種類に大別されることがわかった。電離パラメータが弱い場合には，分子雲は球対称的な光蒸発によって質量を失いながら，その反作用による圧力で，分子雲の一部が重力崩壊に至る。電離パラメータが強い場合には，輻射圧が効果的になりはじめ，光蒸発流の分子雲表面に閉じ込めながら，分子雲押しつぶし，最終的には分子雲の一部を重力崩壊させることがわかった。

【１３】 極高光度 X 線源の中間質量ブラックホール候補
中間質量ブラックホール(BH)の最有力候補である極高光度 X 線源(Hyper
Luminous X-ray source)について，X 線スペクトルを降着円盤モデルを用いて解析し，BH 質量を推定した。
極高光度 X 線源 ESO243-49 HLX-1 は，近傍の円盤銀河(赤方偏移 z = 0.02) の円盤面上空に写っており，赤方偏移測定の試みからこの銀河と同じ距離に居る事が示唆されている。この距離測定が正しければ，X 線光度は 1042 erg/s に達し，超高光度 X 線源 (Ultra Luminous X-ray source)よりも 1 桁以上明るく，中間質量
BH の最有力候補である。中間質量 BH は実在するか，その起源は何か，元衛星銀河の中心 BH が浮遊しているのか，巨大 BH の種なのか等の疑問に挑む絶好の実
験場と言える。
これまでの HLX-1 の X 線スペクトルを降着円盤モデルを用いて解析する研究では，亜臨界降着率に限定される標準降着円盤モデルを基にしていた。しかし，大光度天体に亜臨界降着を仮定して BH 質量を推定し中間質量という答えを得る事は，仮定が結論に直結している危険性がある。
そこで，亜臨界から超臨界降着率まで幅広くカバーすることで降着率に事前の仮定を必要とせず，移流・相対論的効果円盤表層でのコンプトン散乱を含んだ円盤ス
ペクトルモデル(Kawaguchi 2003)を 10 万太陽質量までの BH に対して計算した。
3 年に渡って約 30 倍光度が時間変動する HLX-1 の多時刻 X 線スペクトルを解析したところ，約 1.8 万太陽質量 BH へのガス降着によってデータを説明できる事がわかった。

【１４】

AVX 命令版 Phantom-GRAPE
2011 年にリリースされた Intel の新型プロセッサ Sandy-Bridge で新たに実装され た SIMD (Single-Instruction-Multi-Data) 命 令 で あ る Advanced Vector
eXtension (AVX) 命 令 セ ッ ト を 用 い た ， 重 力 多 体 数 値 計 算 ラ イ ブ ラ リ
Phantom-GRAPE を開発し，これまでの SIMD 命令である Streaming SIMD
Extension (SSE)命令セットを用いたものよりもより高速な演算を実現した。

47

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Phantom-GRAPE は，4 次エルミート積分を軌道計算に用いる高精度な衝突系重力多体用と，銀河や銀河団などの無衝突系用の 2 種類を開発し，Google Code で公開してある。

【１５】

星間空間におけるアミノ酸の円偏光波誘起鏡像異性体過剰の理論的研究（宇宙・生命・物性・原子核分野連携）
生命体の基本分子にアミノ酸があるが，実験室でアミノ酸を作成すると，左巻き（L 型）と右巻き（D 型）が同量生成されるが，地球上の生命ではほとんど L 型
アミノ酸しか使われていない。これを，鏡像異性体過剰という。1969 年，オース
トラリアのマーチソン村に隕石が落下し，その隕石からアミノ酸が検出された。そして，わずかではあるが鏡像異性体過剰が発見された。2010 年には，超高温の隕石からアミノ酸が発見され，隕石のアミノ酸は地球に大気圏通過の際に変成することなく落下することが分かった。発見された鏡像異性体過剰はわずかなものである
が，実験をすると鏡像異性体過剰は自己触媒反応により急速に増大することが分かってきた。よって，アミノ酸の鏡像異性体過剰が宇宙空間で起こり隕石を通じて地球に運ばれ，それが地上で急速に増幅した可能性がある。また，実験室で円偏光の光を当てると鏡像異性体過剰が引き起こされることが分かってきた。そして，近年になって，オリオン座の星形成領域(OMC-1)で円偏光波が発見された。よって，原始系の近くで大質量星が誕生したとすれば，太陽系内でアミノ酸の鏡像異性体過剰が起こった可能性がある。以上の事実を背景に，宇宙空間で円偏光波からアミノ酸の鏡像異性体過剰を引き起こす過程についての量子多体計算を進めている。我々は，円偏光波吸収とアミノ酸の光励起による崩壊・改変反応の過程を解析した。第一原
理計算により，真空中におけるアミノ酸の最安定構造を求め，その光吸収性と円偏光二色性の値を求めた。その結果，アミノ酸の光物性はその種の特徴となる側鎖よりアミノ酸全体に共通する主鎖の構造により強く依存し，波長帯としてライマン α
帯の光が重要であることを明らかにした。

【１６】

系外惑星におけるバイオマーカー検出を目指した光合成アンテナ機構のエネルギー移動計算（宇宙・生命分野連携）
探査機 Kepler によって太陽系外惑星の数は大きく追加されており, 地球型惑星やハビタ
ブルゾーン内に入る惑星の観測にも成功している。地球に類似した惑星の発見が期待される中で, 得られるスペクトルから生命の痕跡であるバイオマーカーを如何に検出するかが課題になっている。地球の生命の進化において光合成は極めて重要であり, 光合成の痕跡の48

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

中でも 750nm 付近の近赤外領域に見られる反射スペクトルの特徴的な勾配（red edge）は有力なバイオマーカーとなり得る。様々なスペクトル型の主星を公転する系外惑星において光合成生物の存在を想定した場合, 光捕集の形態が大きく異なると考えられる。地球の光合成生物の場合は主星である太陽のスペクトル比の光を効率良く捕集するように進化して来たと考えるべきであり, クロロフィルなどの光合成色素からなるアンテナ系は環境によって色素の種類や配置などの形態が異なる。光を受けた色素は電子励起され, 近くの色素に電子状態を移動させるという過程を通じて効率的に光エネルギーを化学エネルギーに変換する。系外惑星においては異なる光捕集の形態を取る場合, それに対応した波長域に光合成の兆候を示す可能性がある。我々は，系外惑星の光のスペクトル比と植物の光捕集の形態との相関について定量的指標を導出することを目的に，光捕集系の量子化学計算を行った。
アンテナを構成する色素 1 つ 1 つの励起 状態を時間依存密度汎関数法により計算し, 色素
間では双極子-双極子相互作用する近似モデル を構築した。また, 入射光としてある振動数の電場を印加して系の量子力学的時間発展を追跡することによってスペクトル強度を算出した。これにより，アンテナ系の形態と red edge との相関を調べ, 系外惑星で想定されるスペクトルを議論した。

4.

教育【学位論文】＜博士論文＞
1. Mohammad Ali Nawaz
Interaction of Jets with the Intracluster Medium
2. Marc White
Outflows from Young Stellar Objects＜修士論文＞
１．安部牧人

3 次元輻射流体計算による紫外線輻射場中の星団形成過程の研究
２．五十嵐

朱夏

球対称定常銀河風の解析
３．大野純

GPU を用いた輻射流体力学シミュレーションの高速化
４．久保田

明夏

初代星形成における紫外線輻射の流体力学的効果49

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書＜学士論文＞
飯塚

実紅

系外惑星系における軌道交差によるホットジュピター形成【集中講義】
・梅村 雅之「輻射輸送・輻射流体力学」（2012 年 7 月 19 日，千葉大学，千葉市）
・岡本 崇「銀河形成とダークマター」第 7 回 素核宇宙融合 レクチャー シリーズ (2012 年 11 月 20
日〜2012 年 11 月 21 日, 神戸大学, 神戸市)

5.

受賞，外部資金，知的財産権等

１）【受賞】①ACM Gordon Bell Prize，石山智明， 4.45 Pflops Astrophysical N-Body
Simulation
on K computer – The Gravitational Trillion-Body Problem, 2012 年 11 月 16日
②HPCS IEEE Computer Society Japan Chapter 優秀若手研究賞，扇谷豪，重力多体
系用 Tree Code の並列 GPU 化による計算加速，2013 年 1 月 16 日
２）【外部資金】＜代表者＞
・基盤研究（Ｓ）：梅村 雅之（代表者）（2008 年度採択，継続）「第一世代天体から原始銀河に至る宇宙暗黒時代の解明」 (880 万円)
・基盤研究（Ａ）：森 正夫 （代表者） （継続）「理論と観測の融合による銀河発生学の探求」 (560 万円)
・ プレ戦略イニシアティブ：森 正夫 （代表者）（継続）「アクセラレータによる銀河輻射流体力学の幕開け」(500 万円)
・科研費若手研究（Ｂ）:岡本 崇 (代表者) (新規)「輻射流体シミュレーションを用いた銀河風駆動機構の解明」(110 万円)
・科研費若手研究（Ｂ）:長谷川賢二（代表者）（新規）(210 万円)「宇宙論的輻射シミュレーションで解明する宇宙再電離期の銀河形成史」
・科研費若手研究（Ｂ）:石山智明（代表者），2013-2015 年，350 万(直接経費)「銀河系内のダークマター微細構造の解明およびダークマター検出への応用」

50

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書＜分担者＞
・基盤研究（Ａ）：梅村雅之（分担者）（代表者：大内正巳） （2011 年度採択，継続）「次世代大規模探査とシミュレーションで挑む宇宙再電離」 (1 万円)
・基盤研究（Ａ）：森 正夫 (分担者) （代表者：大内正巳） （新規）
「次世代大規模探査とシミュレーションで挑む宇宙再電離」 (2.5 万円)
・基盤研究（Ｃ）：川口 俊宏 (分担者) （代表者：峰崎 岳夫） （継続）
「活動銀河核多波長モニターデータベースと活動銀河核変光・放射機構の研究」(20万円)
・挑戦的萌芽研究:川勝望 (分担者)（代表者：長尾透）（継続）

宇宙の「生きた化石」：「現在の宇宙に潜む進化最初期の銀河と巨大ブラックホー
ルの探査」（15 万円）

6.

研究業績
（１）研究論文A) 査読付き論文
1) Doi, A., Nagira, H., Kawakatu, N. Kino, M., Nagai, H., Asada, K., 2012, Radio Galaxies
in Narrow-line Seyfert 1 Galaxies, The Astrophysical Journal, 760(1), 41-51
2) Godet, B. Plazolles, T. Kawaguchi, J.-P. Lasota, D. Barret, S. Farrell, V. Braito, M.
Servillat, N. Webb and N. Gehrels, 2012, Investigating slim disk solutions for HLX-1 in
ESO 243-49, The Astronomical Journal, 752, 34 [12pages]
3) Hasegawa, K., Semelin, B., 2013, The impacts of ultraviolet radiation feedback on
galaxies during the epoch of reionization, Monthly Notices of the Royal Astronomical
Society, Volume 428, pp.154-166
4) Ishiyama, T., Nitadori, K., Makino, J. 2012, 4.45 Pflops Astrophysical N-Body
Simulation on K computer – The Gravitational Trillion-Body Problem SC '12
Proceedings of the International Conference on High Performance Computing,
Networking, Storage and Analysis, Article No. 5
5) Kawata,D., Okamoto, T., Gibson, B. K., Barnes, D. J. and Cen, R., 2013, Calibrating an
updated smoothed particle hydrodynamics scheme within gcd+, Monthly Notices of theRoyal Astronomical Society, 428, 1968-1979
6) Kino, M., Kawakatu,N., Takahara, F., 2012, Calorimetry of AGN Jets: Testing Plasma
Composition in Cygnus A, The Astrophysical Journal, 751(2), 101-109

51

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

7) Kino M., Ito, H., Kawakatu, N.,

Orienti, M., 2013, New class of very high energy γ-ray

emitter:radio-dark mini-shells surrounding in AGN jets, The Astrophysical Journal,764(2), 134-138
8) Komatsu, Y., Yamada, H., Kawamoto, S., Fukuda, M., Miyakawa, T., Morikawa, R.
Takasu, M., Akanuma, S. and Yamagishi, A., 2012, Designing the Binding Surface ofProteins to Construct Nano-fibers , Progress in Theoretical Chemistry and Physics--Quantum Systems in Chemistry and Physics, 26, 555-567
9) Komatsu, Y., Fukuda, M., Yamada, H., Kawamoto, S., Miyakawa, T., Morikawa, R.,
Takasu, M., Yokojima, S., Akanuma, S. and Yamagishi, A., 2012, Constructing Protein
Nano-Fiber and Estimation of the Electronic State Around Metal Ions, Int. J. Quantum
Chem., 112, 3750-3755
10) Matsuda, Y., Yamada, T., Hayashino, T., Yamauchi, R., Nakamura, Y., Morimoto, N.,
Ouchi, M., Ono, Y., Umemura, M., Mori, M., 2012, Diffuse Lyα haloes around Lyαemitters at z=3: do dark matter distributions determine the Lyα spatial extents?,
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 425, 878-883.
11) Miki, Y., Takahashi, D., Mori,M.,2012, A Fast Implementation and Performance
Analysis of Collisionless N-body Code Based on GPGPU, Procedia Computer Science, 9,96-105（Proceeding of International Conference on Computational Science, ICCS 2012）12) Nimori, M., Habe, A., Sorai, K., Watanabe, Y., Hirota, A., and Namekata, D., 2013,
Dense cloud formation and star formation in a barred galaxy, Monthly Notices of theRoyal Astronomical Society, 429, 2175-2182.
13) Okamoto, T., 2013, The origin of pseudo-bulges in cosmological simulations of galaxy
formation, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 428, 718-728
14) Prokhorov, D. A., Million, E. T., Akahori, T., Zemcov, M., Moraghan, A., Nagataki, S.,
Yoshikawa, K., Colafrancesco, S., Rawle, T. D., Egami, E., 2012, A high-resolution studyof the X-ray emission and Sunyaev-Zel'dovich effect in the Bullet cluster (1E 0657-56),
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 426, 2291-2299
15) Scannapieco, C., Wadepuhl, M., Parry, O. H., Navarro, J. F., Jenkins, A., Springel, V.,
Teyssier, R., Carlson, E., Couchman, H. M. P., Crain, R. A., Dalla Vecchia, C., Frenk, C.
S., Kobayashi, C., Monaco, P., Murante, G., Okamoto, T., Quinn, T., Schaye, J., Stinson,
G. S., Theuns, T., Wadsley, J., White, S. D. M.

and Woods, R., 2012, The Aquila

comparison project: the effects of feedback and numerical methods on simulations ofgalaxy formation, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 423, 1726-1749

52

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

16) Shimizu, I., Yoshida, N. and Okamoto, T., 2012, Submillimetre galaxies in cosmologicalhydrodynamic simulations: source number counts and the spatial clustering, Monthly
Notices of the Royal Astronomical Society, 427, 2866-2875
17) Son, D., Woo, J.H., Kim, S.C., Fu, H., Kawakatu, N., Bennert, V.N., Nagao, T., Park,D., 2012, Accretion Properties of High- and Low-Excitation Young Radio Galaxies, The
Astrophysical Journal, 757(2), 140-152
18) Tanikawa, A., Yoshikawa, K., Nitadori, K. and Okamoto, T., 2013, Phantom-GRAPE:
Numerical software library to accelerate collisionless N-body simulation with SIMD
instruction set on x86 architecture, New Astronomy, 19, 74-88
19) Umemura, M. Susa, H., Hasegawa, K., Suwa, T., Semelin, B., 2012, Formation andRadiative Feedback of First Objects and First Galaxies, Prog. Theor. Exp. Phys., 01A306(23pp)
20) Wagner, Y. , Bicknell, G. V. and Umemura, M. ,2012, Driving Outflows with Relativistic
Jets and the Dependence of Active Galactic Nucleus Feedback Efficiency on Interstellar
Medium Inhomogeneity, The Astronomical Journal, 757, 13621) Wagner, Y. , Umemura, M. and Bicknell, G. V. ,2013, Ultrafast Outflows: Galaxy-scale
Active Galactic Nucleus Feedback, The Astronomical Journal Letters, 763, L1822) Yajima, H., Umemura, M., Mori, M., 2012, Sub-millimetre brightness of earlystar-forming galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 420,
3381-3388.
23) Yamada, K., Kitayama, T., Takakuwa, S., Iono, D., Tsutsumi, T., Kohno, K., Takizawa,
M., Yoshikawa, K., Akahori, T., Komatsu, E.,

Suto, Y., Matsuo, H., Kawabe, R., 2012,

Imaging Simulations of the Sunyaev-Zel'dovich Effect for ALMA, Publications of the
Astronomical, Society of Japan, 64, 10224) Yamada, T., Matsuda, Y., Kousai, K., Hayashino, T., Morimoto, N., Umemura, M., 2012,
Profiles of Lyman alpha Emission Lines, The Astronomical Journal, 751, 29-41.
25) Yamada, T., Nakamura, Y., Matsuda, Y., Hayashino, T., Yamauchi, R., Morimoto, N.,
Kousai, K., Umemura, M., 2012, Panoramic Survey of Lyα Emitters at z = 3.1, The
Astronomical Journal, 143, 79-92.
26) Yamaoka, K., Allured, R. , Kaaret, P. , Kennea, J.A. , Kawaguchi, T. , Ghandi, P. ,Shaposhnikov, N. , Ueda, Y. , Nakahira, S. , Kotani, T. , Negoro, H. , Takahashi, I. ,Yoshida, A. and Kawai, N. , 2012, RXTE Follow-up Observations of the Black Hole53

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Candidate MAXI J1659-152 Discovered by MAXI and Swift, Publications of the
Astronomical, Society of Japan, 64, 32 [15 pages]27) Yoshikawa, K., Yoshida, N., Umemura, M., 2013, Direct Integration of the CollisionlessBoltzmann Equation in Six-dimensional Phase Space: Self-gravitating Systems, The
Astrophysical Journal, 762, 11628) 川勝望，白川友紀，本多正尚，戸田さゆり, 筑波大学, 2012 年，理数学生応援プロジェクトとスーパーサイエンスハイスクールとの関係, 大学入試研究ジャーナル, 23, pp185-190
29) 扇谷豪，三木洋平，朴泰祐，森正夫，中里直人，2013 年，重力多体系用 Tree Code の並列
GPU 化による計算加速，ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム
論文集，Vol.2013，pp.146-155

B) 査読無し論文
30) Hasegawa K. and Semelin, B., 2012, Impacts of Ultraviolet Radiation Feedback on the
Cosmic Reionization History, FIRST STARS IV -from Hayashi to the Future- AIP
Conference Proceedings, 1480, 267-27031) Ishiyama, T., Makino, J., Ebisuzaki, T., 2012, The formation and evolution of first dark
matter microhalos, FIRST STARS IV -from Hayashi to the Future- AIP Conference
Proceedings,, 1480, 382
32) Ogiya, G. and Mori, M., 2012, The Core-Cusp Problem in CDM Halos and Supernova
Feedback, Astronomical Society of the Pacific Conference Series, Vol. 458, pp. 385-387
33) Okamoto, T., 2012, Cosmological pseudobulge formation, 2012, FIRST STARS IV -fromHayashi to the Future- AIP Conference Proceedings, Volume 1480, 403-405
34) Shimizu I., Yoshida N., and Okamoto T., 2012, Lyman alpha emitters in cosmologicalsimulations: Lyman alpha escape fraction and statistical properties, FIRST STARS IV-from Hayashi to the Future- AIP Conference Proceedings, 1480, 412-414
35) Tanikawa, A., Yoshikawa, K., Nitadori,K. and Okamoto, T., 2012, Phantom-GRAPE:SIMD accelerated numerical library for N-body simulations, Astrophysics Source CodeLibrary, record ascl:1209.008
36) Tanikawa, A., and Umemura, M., 2011, Successive Merger of Multiple Massive Black
Holes in a Primordial Galaxy, FIRST STARS IV -from Hayashi to the Future- AIP
Conference Proceedings, 1480, 430-43237) 扇谷豪，三木洋平，朴泰祐，森正夫，中里直人，2012 年，重力多体系用 Tree Code の並列

54平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

GPU 化，研究報告ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC），2012-HPC-135 巻，40 号，pp.1-938) 扇谷豪，森正夫，2012 年，星フィードバックに対する銀河ガスの振る舞いの解析：銀河形
状・星形成率への依存性，日本流体力学会

年会 2012 講演論文集，215 号，pp.1-5(2) 国際会議発表
A) 招待講演
1) Okamoto, T., 2012, Shaping galaxies by feedback: satellites, discs, and bulges, Discgalaxy formation in a cosmological context, (May 14-18, 2012, Heidelberg,
Germany)
2) Tanikawa, A., 2012, Multiples in clusters ~ First binary formation via few-bodymodes~, (Aug.15 – 17, 2012, Kobe, Japan)
3) Wagner,A., Umemura,M., Bicknell,G., Hydrodynamic Simulations of AGN Jet and
UFO Feedback, (Oct.5, 2012, Nagoya, Japan)
4) Yoshikawa, K., 2012, An alternative to N-body methods in astrophysicalself-gravitating systems: Vlasov-Poisson simulations”, Conference on
Computational Physics (Oct. 14-18, 2012, Kobe, Japan)5) Yoshikawa, K., 2012, Vlasov-Poisson simulations of self-gravitating systems, The
5th East Asian Numerical Astrophysics Meeting (Oct. 29-Nov.2, 2012, Kyoto,
Japan)
6) Kawakatu, N., 2012, Dynamical evolution of AGN cocoons, Relativistic jets in AGNs
(Nov. 29, 2012, NAOJ, Japan)B) 一般講演
1) Hasegawa, K., Semelin, B., Umemura, M., Impacts of Ultraviolet Radiation
Feedback on the Cosmic Reionization History, The Epoch of Reionization: Theory Simulations – Observations (Apr. 23-27, 2012, Strasbourg, France)2) Hasegawa, K., Semelin, B., Impacts of Ultraviolet Radiation Feedback on the
Cosmic Reionization History, FIRST STARS IV –from Hayashi to the Future- (May21-25, 2012, Kyoto, Japan)
3) Okamoto, T., Cosmological pseudobulge formation, FIRST STARS IV –from
Hayashi to the Future- (May 21-25, 2012, Kyoto, Japan)55

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

4) Miki, Y., Takahashi, D., Mori, M., A Fast Implementation and Performance
Analysis of Collisionless N-body Code Based on GPGPU, International Conference
on Computational Science (Jun. 4-6, 2012, Omaha, USA)
5) Ogiya, G. and Mori, M., The Core-Cusp problem in Cold Dark Matter halos andSupernova feedback: Effects of Oscillation, IAP-Subaru Joint International
Conference: Stellar populations across Cosmic Times, (Jun. 25-29, 2012, Paris,
France)6) Kawakatu,N., Wada, K., 2012, Coevolution of AGNs and nuclear starbursts, AGN
Workshop 2012 in Jeju (Sep. 12～14, 2012, Jeju Island, Korea)
7) Kawaguchi, T. , Miki, Y. and Mori, M. , Emission from AGN Dusty Tori and a
Wandering BH, AGN Workshop 2012 in Jeju, (Sep. 12～14, 2012, Jeju Island,
Korea)
8) Wagner, A., Umemura, M., Bicknell, G., Mechanical Feedback by AGN Jets, First
East Asian AGN Workshop in Jeju, (Sep. 12-14, 2012, Jeju Island, Korea)
9) Ishiyama, T., Petascale Cosmological N-body Simulations, Conference on
Computational Physics (CCP2012), (Oct.14-18, 2012, Kobe, Japan)
10) Kirihara, T., Miki, Y., Mori, M., Resolving the outer density profile of dark matter
halo in Andromeda galaxy, Conference on Computational Physics(CCP2012),(Oct.14-18, 2012, Kobe, Japan)11) Miki, Y., Mori, M. and Kawaguchi, M., Hunting a Wandering Black Hole in M31
Halo Using GPU Cluster, Conference on Computational Physics 2012(CCP2012),(Oct.14-18, 2012, Kobe, Japan)12) Ogiya, G., Mori, M., Miki, Y., Boku, T. and Nakasato, N., Study of the core-cusp
problem in cold dark matter halos using N-body simulations on GPU clusters,
Conference on Computational Physics (CCP2012), (Oct.14-18, 2012, Kobe, Japan)
13) Ishiyama, T., The Gravitational Trillion-Body Problem on K computer, The
Fifth East Asian Numerical Astrophysics Meeting (EANAM 2012), (Oct. 29-Nov.2,
2012, Kyoto, Japan)
14) Kirihara, T., Miki, Y., Mori, M., Galaxy Collision and the Outer Density Profile inAndromeda Galaxy, East Asia Numerical Astrophysics Meeting(EANAM 2012),(Oct. 29-Nov. 2, 2012, Kyoto, Japan)15) Ogiya, G. and Mori, M., Landau resonance and the core-cusp problem in cold dark
matter halos, East Asia Numerical Astrophysics Meeting (EANAM2012),(Oct.29-Nov.2, 2012, Kyoto, Japan)

56

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

16) Miki, Y., Mori, M., Kawaguchi, T., Galaxy Merger and Hungry Black Hole:Suppression of Black Hole Activity due to Galaxy Merger, East Asia Numerical
Astrophysics Meeting (EANAM2012), (Oct.29-Nov.2, 2012, Kyoto, Japan)17) Suzuki, H., Umemura, M., The impact of background and internal UV radiation on
the galaxy formation. , East Asia Numerical Astrophysics Meeting, 2012 Kyoto(EANAM 2012) , (Oct.29-Nov.2, 2012, Kyoto, Japan) (poster)18) Tanikawa A., 2012, Successive merger of multiple massive black holes in a
primordial galaxy and its effect on the galactic structure, (Oct. 29 – Nov. 2, 2012,
Kyoto, Japan)19) Kawaguchi, T. , Innermost Structure and Near-Infrared Emission of AGN Dusty
Tori, Torus Workshop 2012, U of Texas in San Antonio (Dec. 4-6,2012, USA),
20) Hasegawa, K., Okamoto, T., The improvement of START, Cosmological Radiative
Transfer Comparison Project Workshop IV (Dec. 12-14, 2012, Austin, USA,)21) Kawaguchi, T. , Growth of massive black holes revealed via the HSC survey,
Supermassive Black Holes in the Universe: The Era of the HSC Surveys, (Dec.18-20,
2012, Matsuyama ,Japan),22) Hasegawa, K., The improvement of a Radiation hydrodynamics code START, 3rd
AICS international Symposium, (Feb.28-Mar. 1, 2013, Kobe, Japan)(3) 国内学会・研究会発表
A) 招待講演1) 岡本崇,「理論シミュレーションで見た銀河形成研究の現状 (I) High-redshift discs andtheir descendants at z = 0」, 銀河形成解剖ワークショップ "Resolved Views ofGalaxy Formation and Evolution", (2012 年 5 月 29 日～31 日, Hilo, Hawaii)2) 梅村雅之，「銀河・AGN 形成に関する理論的課題」，研究会「すばる HSC サーベイによるサイエンス」（2012 年 9 月 26 日～28 日，国立天文台，三鷹市）
3) 石山智明, 「スーパーコンピューターの中で生まれる宇宙」, サイエンティフィック・
システム研究会 科学技術計算分科会 2012 年度会合(2012 年 10 月 24 日, ANA クラウ
ンプラザホテル神戸)
4) 三木洋平, 「ガス雲 G2 落下による Sgr A*へのガス降着」, 『銀河系中心ブラックホー
ル 2013』研究会（2012 年 11 月 7 日～9 日, 宇宙科学研究所, 相模原市）
5) 長谷川賢二，「大規模並列化へ向けた輻射輸送コード START の改良」
，第 25 回理論懇
シンポジウム, (2012 年 12 月 22 日～24 日，つくば国際会議場，つくば市)
6) 石山智明, 「ダークマターシミュレーション」, 第 25 回理論懇シンポジウム, (2012 年
12 月 22 日～24 日，つくば国際会議場，つくば市)57

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

7) 川勝望，「ALMA で探る超巨大ブラックホール形成」，ALMA 時代の宇宙構造形成理論（2013 年 1 月 25 日～28 日，北海道大学，札幌市）
8) 岡本崇, 「Formation of high-redshift disks and pseudo-bulges in nearby galaxies」,
ALMA 時代の宇宙の構造形成理論：第 1 世代から第 n 世代へ (2013 年 1 月 26 日～
28 日, 北海道大学，札幌市)
9) 石山智明, 「Large scale dark matter simulation」, ALMA 時代の宇宙の構造形成理論：第１世代から第ｎ世代へ(2013 年 1 月 26 日～28 日，北海道大学，札幌市)
10) 石山智明, 「超並列重力多体シミュレーションコードの開発」, 宇宙磁気流体・
プラズマシミュレーションワークショップ(2013 年 2 月 18 日～19 日，千葉大学, 千葉市)11) 吉川耕司, 「無衝突自己重力系の無衝突ボルツマンシミュレーション」, 宇宙磁気流体・
プラズマシミュレーションワークショップ (2013 年 2 月 18 日～19 日, 千葉大学, 千葉
市)12) 川勝望，「銀河とブラックホールの共進化」，銀河進化と遠方宇宙 2013（第 1 回）(2013年 2 月 20 日～21 日, コープイン京都, 京都市)
13) 川勝望，「サブミリ波観測で探る活動銀河核の形成と進化」, ALMA ミリ波サブミリ波観測で押さえる銀河の基本観測量とその理解(2013 年 2 月 25 日～26 日, 国立天文台，
三鷹市)14) 川口俊宏, 「電波観測で探る銀河衝突に伴う巨大ブラックホールの成長」, 「ALMA ミ
リ波サブミリ波観測で押さえる銀河の基本観測量とその理解」ワークショップ(2013 年
2 月 25 日～26 日, 国立天文台，三鷹市)
15) 岡本崇, 「スーパーコンピュータによる銀河形成」, 第９回 創成シンポジウム, 「スーパーコンピュータ "京"でせまる最先端の科学・技術」(2013 年 3 月 4 日，北海道大学，
札幌市)16) 石山智明, 「スーパーコンピュータ「京」の中の宇宙」, 2012 年度 HPCI 戦略プログラ
ム分野５全体シンポジウム（2013 年 3 月 5 日～6 日 ，富士ソフトアキバプラザ）
17) 川口俊宏, 「巨大ブラックホールの形成・成長と銀河との共進化」, 日本天文学会春季
年会（2013 年 3 月 20 日～23 日, 埼玉大学）

B) その他の発表
1) 川口俊宏, 「活動銀河核のダストトーラス，及び中間質量ブラックホールの探査」, 理論部プラズマセミナー（2012 年 5 月 18 日, 国立天文台，三鷹市）
2) 川勝望， 白川友紀，本多正尚，戸田さゆり「筑波大学「理数学生応援プロジェクト」とスーパーサイエンスハイスクールとの関係」,『平成 24 年度全国大学入学者選抜研究連絡協議会』岡山コンベンションセンター（2012 年 6 月 1 日，岡山，岡山市）

58

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

3) Wagner, A., Umemura, M. and Bicknell, G.,「Mechanical Feedback by AGN Jets」,
Matsuyama Black Hole Workshop (2012 年 6 月 20 日～23 日, 愛媛大学, 松山市)
4) 川勝望，和田桂一，「AGN-Nuclear SB connection in Compton thick AGN」,
松山ブラックホールワークショップ 2012―ASTRO-H 衛星で目指すブラックホール研
究の新展開―（2012 年 6 月 23 日，愛媛大学，松山市）
5) 川口俊宏, 「ダストトーラスの最内縁構造モデル」, ASTRO-H 衛星で目指すブラック
ホール研究の新展開 研究会（2012 年 6 月 22 日～23 日, 愛媛大学）
6) 川口俊宏, 「漂う巨大ブラックホールと中間質量ブラックホールの探査」, 銀河中心超巨大ブラックホールの起源 研究会（2012 年 7 月 26～27 日, 筑波大学）
7) 鈴木裕行, 「紫外線輻射場における原始銀河形成の物理」,2012 年度第 42 回天文・天体物理若手 夏の学校,(2012 年 8 月 3 日〜6 日, 福井県東尋坊温泉三国観光ホテル, 福井県) (口頭発表)
8) 三木洋平, 森正夫, 川口俊宏, 「銀河衝突による銀河中心巨大ブラックホール周辺からのガス剥ぎ取り過程」, VLBI WORKSHOP「巨大ブラックホールからの噴出流」（2012年 9 月 6 日～7 日, 国立天文台, 三鷹市）
9) 扇谷豪，森正夫，「星フィードバックに対する銀河ガスの振る舞いの解析：銀河形状・星形成率への依存性」，日本流体力学会 年会 2012（2012 年 9 月 16 日～18 日，高知）
10) 森正夫，新田伸也，五十嵐朱夏，コールドダークマターハローにおける遷音速銀河風解
析，日本流体力学会 年会 2012（2012 年 9 月 16 日～18 日，高知）
11) 五十嵐朱夏，森正夫，新田伸也，「球対称等温定常銀河風の加速過程に与えるダークマ
ターと星の質量分布の影響」，日本天文学会秋季年会(2012 年 9 月 19 日～21 日，大分
大学，大分市)12) 石山智明, 「京速計算機による無衝突系重力多体シミュレーション」, 日本天文学会秋季年会（2012 年 9 月 19 日～21 日，大分大学, 大分市）
13) 小久保充，諸隈智貴，峰崎岳夫，土居守，吉井譲，越田進太郎，川口俊宏，鮫島寛明，
小林行泰,「QSOs の光度変動に伴う紫外カラー変動に対する標準円盤+質量降着率変化
モデルの妥当性」,日本天文学会秋季年会（2012 年 9 月 19 日～21 日，大分大学, 大分市）
14) 扇谷豪，森正夫，「星フィードバックに対する銀河ガスの振る舞いの解析：銀河形状・星形成率への依存性」，日本天文学会秋季年会（2012 年 9 月 19 日～21 日，大分大学, 大分市）
15) 川勝 望，紀基樹，「膨張コクーン力学から探る AGN ジェットのプラズマ組成:陽電子は必要か？」，日本天文学会秋季年会（2012 年 9 月 19 日～21 日，大分大学, 大分市）
16) 川口俊宏, O. Godet, B. Plazolles, 「極高光度 X 線源の 2 万太陽質量ブラックホール候
補」, 日本天文学会秋季年会（2012 年 9 月 19 日～21 日，大分大学, 大分市）

59

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

17) 桐原崇亘, 森正夫, 「アンドロメダストリームの非対称構造と母矮小銀河の内部構造」,
日本天文学会秋季年会 （2012 年 9 月 19 日～21 日，大分大学, 大分市）
18) 三木洋平, 森正夫, 川口俊宏, 濟藤祐理子, 「M31 ハローを漂う巨大ブラックホール探
査: 衝突銀河の突入軌道への制限」, 日本天文学会秋季年会, （2012 年 9 月 19 日～21
日，大分大学, 大分市）
19) 谷川衝, 梅村雅之，「巨大ブラックホール多体系におけるブラックホールの進化と銀河の構造」, 日本天文学会秋季年会, （2012 年 9 月 19 日～21 日，大分大学, 大分市）
20) Wagner, A., Umemura, M. and Bicknell, G.「Mechanical Feedback by AGN Jets andUFOs」,日本天文学会秋季年会, （2012 年 9 月 19 日～21 日，大分大学, 大分市）
21) 三木洋平, 高橋大介, 森正夫, 「大規模 GPU クラスタにおける N 体計算コードの演
算性能とスケーラビリティの評価」, 第 136 回 ハイパフォーマンスコンピューティン
グ研究発表会, （2012 年 10 月 3 日～4 日, 沖縄産業支援センター, 那覇市）
22) Wagner, A., Umemura, M. and Bicknell, G.「Hydrodynamic Simulations of AGN
Feedback in a Multiphase Medium」,天体形成研究会,(2012 年 10 月 5 月～6 月, 筑波大学, つくば市)
23) 小松勇, 梅村雅之, 庄司光男, 矢花一浩, 白石賢二, 神谷克政, 栢沼愛, 田口真彦, 佐藤
皓允, 蘇 垠成, 「系外惑星のバイオマーカー検出に向けた光合成アンテナ機構の励起状態計算」, 第５回アストロバイオロジーワークショップ（2012 年 11 月, 国立天文台,三鷹市）
24) 行方大輔，梅村雅之，長谷川賢二，「AGN の輻射にさらされた分子雲の進化について」，
CfCA ユーザーズミーティング（2012 年 12 月 11 日～12 日，国立天文台，三鷹市）[ポスター発表]
25) 三木洋平, 森正夫, 川口俊宏, 「N 体計算による M31 ハロー領域を漂う巨大ブラックホール探査」, 第 25 回理論懇シンポジウム （2012 月 12 日 22 日～24 日, つくば国際会
議場, つくば市）
26) 五十嵐朱夏，森正夫，新田伸也，「球対称等温定常銀河風の遷音速解析」，第 25 回理論
懇シンポジウム(2012 月 12 日 22 日～24 日, つくば国際会議場, つくば市)
27) 扇谷豪，森正夫，「ランダウ共鳴が与えるダークマターハロー密度構造への影響」，第25 回理論懇シンポジウム 「計算宇宙物理学の新展開」(2012 月 12 日 22 日～24 日, つくば国際会議場, つくば市)
28) 桐原崇亘, 三木洋平, 森正夫, 「アンドロメダストリームで探るダークマターハローの内部構造」, 第 25 回理論懇シンポジウム(2012 月 12 日 22 日～24 日, つくば国際会議
場, つくば市)
29) 川口俊宏, 濟藤祐理子, 三木洋平, 森正夫,「銀河ハロー中を漂う巨大ブラックホールへのガス降着とその広波長域放射」, 第 25 回理論懇シンポジウム「計算宇宙物理学の新60

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書展開」(2012 月 12 日 22 日～24 日, つくば国際会議場, つくば市)
30) 鈴木裕行,梅村雅之,「背景および内部紫外線輻射による銀河の星形成史への影響」, 第25 回理論懇シンポジウム「計算宇宙物理学の新展開」(2012 月 12 日 22 日～24 日, つくば市国際会議場, つくば市) (ポスター発表)31) 行方大輔，梅村雅之，長谷川賢二，「AGN の輻射にさらされた分子雲の進化について」，
第 25 回理論懇シンポジウム(2012 月 12 日 22 日～24 日, つくば国際会議場, つくば市)
32) 川口俊宏, 「銀河中心に鎮座する巨大ブラックホール周辺の構造と銀河衝突に伴う巨大ブラックホールの成長」, 九州天文セミナー（2013 年 1 月 26 日，九州大学，福岡市）
33) 鈴木裕行,梅村雅之, 「The effect of ultraviolet radiation on the SFH and galactic
morphology」, ALMA 時代の宇宙の構造形成理論:第 1 世代から第 n 世代へ 兼 2012年度初代星・初代銀河研究会 (2013 年 1 月 26 日～28 日, 北海道大学，札幌市)(ポスター発表)
34) 川口俊宏, 「速度分解エコーマッピングで探る巨大ブラックホール周辺のガス流出入」,
岡山 3.8m 新望遠鏡によるサイエンス・装置ワークショップ(2013 年 3 月 12 日～13 日,
国立天文台，三鷹市)
35) 小松勇, 梅村雅之, 庄司光男, 矢花一浩, 白石賢二, 神谷克政, 栢沼愛, 田口真彦, 佐藤
皓允, 蘇 垠成, 「系外惑星バイオマーカー検出を目指した光合成機構のエネルギー移
動計算」, 日本天文学会春季年会（2013 年 3 月 20 日～23 日，埼玉大学, さいたま市）
36) 安部牧人，梅村雅之，長谷川賢二，「3 次元輻射流体計算による紫外線輻射場中の星団
形成過程の研究」，日本天文学会春季年会（2013 年 3 月 20 日～23 日，埼玉大学，さいたま市）
37) 五十嵐朱夏，森正夫，新田伸也，「定常銀河風における銀河中心ブラックホールの影響」，
日本天文学会春季年会（2013 年 3 月 20 日～23 日，埼玉大学，さいたま市）(ポスター
発表，査読あり)38) 小田寛, 川口俊宏, 「光学的に薄い磁気圧優勢円盤からの放射スペクトル: 明るいハード状態への適用」, 日本天文学会春季年会(2013 年 3 月 20 日～23 日, 埼玉大学，さい
たま市)39) 川口俊宏, 「速度分解エコーマッピングで探る巨大ブラックホール周辺のガス流出入」,
岡山 3.8m 新望遠鏡によるサイエンス・装置ワークショップ(2013 年 3 月 12 日～13 日,
国立天文台, 三鷹市)
40) 桐原崇亘, 三木洋平, 川口俊宏, 森正夫, 「アンドロメダストリームの非対称構造と母矮小銀河内部構造の関係」, 日本天文学会春季年会 (2013 年 3 月 20 日～23 日, 埼玉大学, さいたま市)
41) 済藤祐理子, 諸隈智貴, 川口俊宏, 今西昌俊, 美濃和陽典, 峰崎岳夫, 川勝望, 長尾透,
松岡健太, 大井渚, 今瀬佳介, 「z~3 の QSO で探る超巨大ブラックホールと母銀河の61

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

共進化」, 日本天文学会春季年会 (2013 年 3 月 20 日～23 日, 埼玉大学, さいたま市)
42) 鈴木裕行，梅村雅之，「紫外線輻射による銀河の星形成史・銀河形態への影響」, 日本
天文学会春季年会(2013 年 3 月 20 日～23 日, 埼玉大学, さいたま市) (口頭発表)
43) 土居明広，秦和弘，中西康一郎，河野孝太郎，寺島雄一，川口俊宏，秋山和徳，澤田佐藤聡子，尾崎忍夫, 「ALMA cycle-0 で捉えたソンブレロ銀河(M104) の超巨大質量
ブラックホール周辺 10 シュバルツシルト半径付近からの電波放射」, 日本天文学会春季年会(2013 年 3 月 20 日～23 日, 埼玉大学, さいたま市)
44) 行方大輔，梅村雅之，長谷川賢二，「AGN の輻射にさらされたガス雲の輻射流体計算」，
日本天文学会春季年会(2013 年 3 月 20 日～23 日, 埼玉大学, さいたま市) (口頭発表)
45) 三木洋平, 森正夫, 川口俊宏, 「大規模 GPU クラスタを用いて探る超巨大ブラックホール成長の現場」, 日本天文学会春季年会 （2013 年 3 月 20 日～23 日，埼玉大学, さいたま市）(4) 著書，解説記事等
・石山智明, 岩波「科学」 2013 年 4 月号, 世界最大規模のダークマターシミュレ
ーシ
ョン

7.

異分野間連携・国際連携・国際活動等【異分野間連携】
1) 星間アミノ酸 L 型過剰の研究（梅村）
宇宙・生命・物性分野間連携により，宇宙空間で円偏光波からアミノ酸の鏡像異性体過剰を引き起こす過程についての量子多体計算を進めた。
2) 系外惑星における光合成アンテナ機構の研究（小松，梅村）
宇宙・生命分野間連携により，系外惑星系の主星光スペクトルと光合成光捕集の相関を導出することを目的に，量子化学計算を進めた。
【国際連携】
・Alex Wagner,
1) Collaboration with Prof. Joseph Silk (IAP, France) on the specific topic of "StarFormation in AGN-pressure confined Disk Galaxies."2) Collaboration with Dr. Kalliopi Dasyra, Prof. Francoise Combes, Dr. Greg Novak, Dr.
Julia Scharwaechter (Observatoire de Paris, France) on "Kpc-scale multiphase
outflows from AGN"62

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

8.

シンポジウム，研究会，スクール等の開催実績

1) 国際会議「FIRST STARS IV - From Hayashi to the Future -」, May 22- 25, 2012，
Heartpia Kyoto, Kyoto, Japan2) ワークショップ「巨大ブラックホールの起源」，2012 年 7 月 26 日～28 日
筑波大学計算科学研究センター，つくば市
3) 研究会「AGN Workshop 2012 in Jeju」，2012 年 9 月 12 日～14 日
http://astro.snu.ac.kr/~hjbae/Welcome.html
4) 「天体形成研究会」2012 年 10 月 5 日～6 日
筑波大学計算科学研究センター，つくば市
5) 第 25 回理論懇シンポジウム「計算宇宙物理学の新展開」，2012 年 12 月 22 日（土）－ 24
日（月），つくば国際会議場, つくば市

9.

管理・運営（組織運営や支援業務の委員・役員の実績）

・梅村雅之
計算科学研究センター

運営委員会委員

計算科学研究センター

副センター長

計算科学研究センター

共同利用委員会主査

計算科学研究センター

共同利用審査委員会委員長

計算科学研究センター

宇宙・原子核物理研究部門主任

計算科学研究センター

運営協議会委員

計算科学研究センター

研究企画室委員

物理学域

運営委員会委員

物理学域

宇宙物理理論グループ長

物理学類

カリキュラム委員会委員長，学務委員

・吉川耕司
計算科学研究センター・フロンティア計算機システム仕様策定委員会・委員（書記）
計算科学研究センター・密結合並列演算加速機構実験システム仕様策定委員会・委員
10. 社会貢献・国際貢献63平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

・川勝望
1) 大学説明会・模擬授業（千葉県立佐倉高等学校）, 2012 年 5 月 8 日,
2) 平成 24 年度筑波大学説明会, 2012 年 7 月 31 日，筑波大学「銀河中心に潜む超巨大ブラックホール形成の謎」
3) SSH 生徒研究発表会 2012 (パシフィコ横浜，横浜市), 2012 年 8 月 8 日～9 日 ，
理数学生応援プロジェクト広報4) 東京大学主催主要大学説明会（大田区産業ﾌﾟﾗｻﾞ PiO，東京）,2012 年 8 月 21 日
理数学生応援プロジェクト説明・川口俊宏
1)「ブラックホールだらけの宇宙」, 全国同時七夕講演会 2012 (2012 年 7 月 14 日,つくば国際会議場, つくば市)

11. その他（海外長期滞在，フィールドワークなど）なし

64平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

II－2. 原子核物理分野
1.

メンバー

教授

矢花

一浩

講師

橋本

幸男

准教授

寺崎

順（HPCI 戦略プログラム）

研究員

谷口

億宇、須原

学生

大学院生

2.

唯広（学振特別研究員）

１０名

概要

当グループは、フェルミオン多粒子系のダイナミクスに対する計算科学的アプローチ、
特に時間依存密度汎関数理論を主要な方法論として、原子核物理学から物質科学、光科学にわたる広範な分野で研究を展開している。
原子核物理学では、陽子と中性子の多体系として捉えた原子核の励起・応答・反応な
どの量子ダイナミクスに関する研究を進めている。原子核物理学は、格子 QCD に基づく核力の計算や軽い原子核の直接計算などで素粒子物理学と結びつき、また元素の起源や星の構造を通じて宇宙物理学とも密接に関係している。本グループでは、現在このような連携を持つテーマとして、ニュートリノ質量に関係する二重ベータ崩壊行列要素の計算や、重元素合成の鍵となるトリプルアルファ反応の計算などの研究が進展中である。
当グループではまた、原子核物理学と共通する方法論を活かして、物質中の電子ダイ
ナミクスに対し物質科学の第一原理シミュレーション法を用いた計算物質科学研究を展開している。現在は、極限的パルス光と物質の相互作用に関わる光科学研究が進展している。特に本グループが最近開発したマクスウェル方程式と時間依存密度汎関数理論
を組み合わせるマルチスケール・シミュレーションの方法は、光の伝播を記述する巨視的電磁気学を、ミクロな量子論に基づく第一原理計算から記述する過去に例のないもの
であり、国内外の注目を集めている。
3.

研究成果

【１】時間依存密度汎関数理論による物質中の電子ダイナミクス計算(1) 高強度パルス光と物質の相互作用を記述する第一原理マルチスケール・シミュレーシ
ョン（矢花、篠原、佐藤、乙部（原研）、G.F. Bertsch（Univ. Washington）、李（APRI））
光とバルク物質（結晶）との相互作用は、通常は巨視的マクスウェル方程式で記述され、物質の性質は誘電率などを含む構成関係式で取り入れられる。ところが近年発展の著しい
極限的な光科学（短パルス極限であるアト秒科学、物質中の電場と光電場が同程度となる
高強度光科学など）では、もはや巨視的電磁場のダイナミクスと電子のダイナミクスを分離して扱うことが許されず、巨視的マクスウェル方程式と時間依存シュレディンガー方程式を同時に結合して解くことが必要とされている。また、可視光の波長はμm 領域、電子ダ
イナミクスは nm 以下の空間スケールであることから、この問題はマルチスケール物理の課65平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

題となっている。
昨年度我々は、パルス光が半導体表面に垂直に入射する場合に関して、高強度パルス光
が物質中を伝播し、光電磁場から電子にエネルギーが不可逆に移行する過程を記述するマ
ルチスケール・シミュレーション法の開発に成功した。この計算は、巨視的マクスウェル方程式を解くために用意する各巨視的格子点で、微視的電子ダイナミクスを独立に解くため、簡単な 1 次元の光伝播に対しても数千コアを要する大規模な数値計算となる。本年度の前半に、京コンピューターの試験運用を利用して、このマルチスケール・シミュレーションコードの高効率な並列化に取り組んだ。下の図は、実行効率と、強スケーリングのもとでの並列化効率を示している。ハイブリッド並列のもとで、およそ 7000 コアから 90000
コアの間で実行効率はおよそ 18-20%の高い値を示し、また 7680 コアを基準として 90000 コ
アを越える並列度においても並列化効率は 90％を越える値となっているなど、スケーリン
グに優れていることが示された。
本研究で作成した計算コードは、フェムト秒レーザーパルスと物質の相互作用を調べる
上で極めて有効である。この課題に関し、本年度よりマックスプランク量子光学研究所のアト秒科学実験グループと共同研究を開始している。また、韓国 APRI、ウィーン工科大、
米国バンダービルト大の理論グループとの共同研究を立ち上げつつある。

(2) 半金属 Sb のコヒーレントフォノン生成機構の解明（篠原、佐藤、矢花、岩田（東大）、乙部（原研）、G.F. Bertsch（Univ. Washington））
パルス光がバルク物質（結晶）に照射した際に見いだされる現象の一つに、巨視的な空間領域で結晶を構成する原子が一様に運動するコヒーレントフォノンがある。本年度は、半金属 Sb を対象に、コヒーレントフォノン生成のメカニズムを調べた。実験的には光学フ
ォノンの種類に応じて異なるフォノン生成メカニズムが見いだされているが、計算の結果

66

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書は同一のメカニズム（実励起型）を示唆しており、観測事実を説明することはできなかった。また、現象論としてしばしば用いられる２テンソル模型に基づく記述の正当性を理論的に調べた。
(3) パルス光により励起した半導体の誘電応答に対するポンプ・プローブ数値実験（佐藤、篠原、矢花、乙部（原研）、G.F. Bertsch（Univ. Washington））
パルス光により励起した物質の誘電率は、フェムト秒程度の時間で大きく変化することが知られている。我々は、ポンプ・プローブ実験に相当する数値シミュレーションを行い、ポンプ光電場により励起した半導体にプローブ光電場を印加し、そのプローブ光電場によって生じたカレントを調べることにより、励起した物質の誘電率を調べた。その結果、誘電率の実部は、励起したキャリアが自由電子として振る舞うことを仮定したドルーデ模型
により定量的に記述されることが分かった。一方誘電率の虚部は、より複雑な振る舞いをすることが明らかになった。
(4) ハイブリッド汎関数を用いた電子ダイナミクス計算の GPU 並列計算（谷口、佐藤、篠原、矢花）
光電場により物質中に引き起こされる電子ダイナミクスを定量的に調べる上で、エネルギー汎関数の適切な選択は極めて重要である。絶縁体や半導体の場合、光応答に関わる物
質の最も基本的な物理量はバンドギャップであるが、最も単純な汎関数の選択肢である局所密度近似を用いると、系統的にバンドギャップが過小評価されることが知られている。
最近、メタ GGA やハイブリッド汎関数など、密度だけではなく軌道の性質を取り入れた汎関数を用いることにより、局所密度近似で問題となるバンドギャップ過小評価の問題が、大幅に改善されることが分かってきている。
ハイブリッド汎関数は、バンドギャップや誘電関数の記述を著しく改善するものとして
近年特に注目されているが、局所密度近似と比較すると計算コストが膨大なものとなる欠点がある。我々は、計算科学研究センターに導入された超並列 GPU 計算機である HA-PACSを用いてハイブリッド汎関数を用いた電子ダイナミクス計算の高速化を試みた。ハイブリッド汎関数を用いる場合、非局所交換項の計算のために比較的小さいサイズの３次元複素離散フーリェ変換を非常に多数回行うことが必要となる。この作業を GPU の CUDA ライブラ
リである cufft を用いて実装する計算コードの開発を行った。その結果、同等のライブラ
リを用いた場合、GPU 計算は CPU 計算に比べ高い計算効率を示すことが確認できた。現在、高強度パルス光が Si 結晶に入射した場合のハイブリッド汎関数を用いた電子ダイナミクス
計算を行っている。
【２】原子核の励起状態

67

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(1) 二重ベータ崩壊行列要素の QRPA 計算（寺崎）寺崎は、準粒子乱雑位相近似（QRPA）を用いて、ニュートリノ質量を決めるためのニュー
トリノレス二重ベータ崩壊の原子核行列要素の計算に平成２３年度に引き続き取り組んでおり、この課題は平成２４年度、科研費研究活動スタート支援に採択されている（2 年目）。
もしこの崩壊が観測されれば、原子核行列要素の二乗と電子の位相空間因子の積（理論計算）とその崩壊の寿命（実験測定）からニュートリノ質量の期待値が求められる。
原子核行列要素は、ニュートリノポテンシャルの二体相互作用行列、始状態と終状態から求めた二種類の QRPA 励起中間状態の重複行列、始状態と終状態から QRPA 励起中間状態への二つの二核子移行遷移行列の積のトレースによって求められる。
本研究の特徴の一つは、下図に示すように、二核子移行を経由する反応を考えていることである。これは完全性近似のもとで可能であるが、いままで用いられたことがない。この方法により、荷電変化反応に適用した際 QRPA はあまり良い近似でないという問題を避けることができ、また、原子核行列要素の重要な部分を実験的に直接検証する可能性をもたらす。もう一つの特徴は、今まで他の人々が用いてきた方法よりもずっと精密な QRPA 状態の重複の計算方法を用いていることである。QRPA 状態の式は複雑でそれをあらわに用いることは極力避けるのが QRPA 計算の常套的考えであったが、重複行列の特性をうまく用い、強力な並列計算機を用いれば、その常套的考えにこだわって計算精度を落とす必要はないということを示した点が特筆される。平成 24 年度の進展は、以下のとおりである。
１．平成 24 年度に開発した、QRPA 励起状態の重複の計算方法の数学的性質を詳細に調べ、かつ数値計算可能であることを二つのテストケースで示し、それらの研究結果を二編の原著論文で発表した。
２．ニュートリノポテンシャルの二体相互作用行列を計算するプログラムを開発した。この計算に必要な関数は積分可能な特異点を持つのであるが、その特異性が数値積分の精度に影響しないように工夫してある。
３．放出される電子の位相空間因子を計算するプログラムを開発した。
４．上記 1 と 2 で求まる重複行列と二体相互作用行列、並びに二核子移行の遷移行列を用
いて、原子核行列要素を求めるプログラムを開発した。１５０Sm、１５０Nd 並びにこの質量数領
域の 2,3 の原子核の Skyrme-QRPA 計算を複数の Kについて実行し、QRPA 励起状態を得た。
現在質量数 150 近辺で QRPA 状態の重複計算と二体相互作用行列計算を京コンピュータ上で大規模に実行するため準備を進めている。
核図表（縦軸：Z、横軸：N）上でのニュートリノレス二重ベータ崩壊の経路（対角線）と完全性近似のもとで計算上可能な二核子移行（水平方向と鉛直方向の遷移）経路。
A は質量数。

68平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(2) 多 Slater 行列式の重ね合わせによる 12C 原子核の記述（福岡、矢花、船木（理研）、中務（理研））
現実的核力から出発して、非経験的に原子核の基底状態と励起状態を計算により記述し予言することは、今日の原子核理論の最重要課題の一つとなっている。しかし、12C より重い原子核の基底状態や、基底状態とは大きく異なる構造を持つ励起状態に対して、収束した解をえることは容易ではない。本研究で我々は、現実的な核力ではなく簡単化された有効核力を用い、基底状態と励起状態に対しシュレディンガー方程式の収束した多体波動関数を求め、励起構造を解明することを目的として研究を進めている。本年度、Skyrme 力を用いて 12C 原子核の基底状態と励起状態を総合的に調べ、論文にまとめた。方法論の特色として、通常基底状態を得るために用いられる虚時間計算法をさまざまなクラスター相関を持つ多体波動関数を生成するために利用し、それらを基底として多体ハミルトニアンを対角化していることが挙げられる。その結果、12C の基底状態及び励起状態に現れる、さまざ
まな相関構造－殻模型的状態からクラスター状態まで－を統一的に記述し理解できることが明らかになった。
(3)

Gogny 力を用いた時間依存平均場計算（橋本）

原子核の集団運動を記述する方法の中でも時間依存平均場の方法は、理論的な枠組みの展開においても、また、実際の現象に対応した定性的・定量的な説明・記述を行ううえでも中心的な役割を果たしてきた。時間依存平均場の方法の中では、時間依存ハートレーフ
ォック（ＴＤＨＦ）が広く用いられている。ＴＤＨＦは、スキルム有効相互作用を用いた密度汎関数理論として位置づけられ、計算機の能力向上によって核図表上の広い範囲の原子核を対象とした応用が可能になっている。ＴＤＨＦは、ゼロレンジの力であるスキルム
有効相互作用と３次元空間格子の組み合わせにより、計算コードがシンプルで適応範囲の広いツールとなった。最近では、中性子過剰核のダイナミクスにおける対相関の役割を研究するために、空間格子によるスキルム力＋時間依存ハートレーフォックボゴリュボフ（Ｔ
ＤＨＦＢ）の枠組みが提案されている。
一方、ゴグニー有効相互作用は、そのレンジが有限の大きさを持つことで、平均場計算に用いられる基底はもっぱら調和振動子基底であった。そこで、連続状態と束縛状態の間に対相関が働く中性子過剰核の運動を記述するうえでは空間格子が便利であることに着目し、ゴグニー有効相互作用でも空間格子を用いた平均場計算が可能な枠組みを作ることを69平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

目指している。ゴグニー有効相互作用の場合には、ガウス型の相互作用形のおかげで対相関の働く空間に自然なカットオフが入る点がメリットである。一方、有限なレンジのために、２体相互作用の行列要素の計算に CPU 時間をとられることになる。2012 年度は、ラグ
ランジュ格子点を利用したＴＤＨＦＢのコードを作成し、酸素１６Ｏ、２０Ｏ、ネオン２０Ｎｅ、マグネシウム３４Ｍｇなどの核において四重極型の振動運動の線形応答計算を試みた。対相関が無い系ではＴＤＨＦ計算になる。１６Ｏ、２０Ｏ、２０ＮｅについてＨＦおよびＨＦＢ基底状態を求め、線形応答の計算を行い、エネルギー保存を確認した。また、強度関数が調和振動子基底による計算のものとほぼ同じになることを示した。３４Ｍｇの四重極型線形振動の計算は現在も継続中である。エネルギー保存のための定式化に時間が掛かってしまったが、調和振動子基底を用いた場合のエネルギー保存と同程度の精度を出せるようになった。
(4) 励起状態に現れる変形状態とクラスタ相関（谷口）
原子核は励起により多彩に構造が変化する。低励起状態では変形構造とクラスタ構造が重要である。クラスタ構造は、原子核が複数の塊に分かれて局在した、空間的な相関の強い構造である。本年度はカルシウム 42 (42Ca) や硫黄同位体の低励起状態の構造の研究を行った。
42

Ca には変形回転帯や 38Ar へのα移行反応で強く生成される構造が低励起状態に存在する。後者はα-38Ar クラスタ構造を示唆する。しかし、42Ca について変形やクラスタ構造の両方を扱った理論的研究はなく、その詳細な構造は理解されていなかった。
谷口は様々な変形状態やα-38Ar クラスタ構造波動関数を重ね合わせてハミルトニアンを対角化することにより、実験的に発見されている変形回転帯やα移行反応でよく生成される励起状態を再現した。また、α移行反応でよく生成される励起状態の上に立つ変形回転
帯や、さらに別の大きく変形した変形状態（超変形状態）が存在することを予言した。
硫黄同位体のうち陽子数と中性子数が等しい 32S には、16O-16O クラスタ構造を多く含む超変形状態が存在することが理論的に予想されている。似た構造として、ベリリウム 8 の基底状態のα-αクラスタ構造がある。ベリリウム同位体の中性子過剰核には、α-αクラス
タ構造の周りに余剰中性子が分布した構造が基底状態やその近傍に現れることが知られている。従って、硫黄同位体には、16O-16O クラスタ構造の周りに余剰中性子が分布した超変形状態が系統的に存在することが期待される。
本年度は、35S などの硫黄同位体の励起状態に現れる変形状態を研究した。励起状態に変形状態が存在することを予言した。その変形状態は、特に陽子密度分布が対称な括れ構造をしており、これは 16O-16O クラスタ構造成分を多く含むことを示唆している。
42

Ca や硫黄同位体の研究結果から、変形状態はクラスタ構造成分を含むことが予想される。

クラスタ構造成分は、多核子移行あるいは捕獲反応断面積と密接に関係していることが予想され、それは元素合成などにも重要である。

70

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(5)

エネルギー変分を用いた断熱核間ポテンシャルの導出と低エネルギー核融合（谷口、延与（京都大学）、須原）
核反応研究において、核間ポテンシャルは基礎となり重要である。しかし、核子間力から
核間ポテンシャルを微視的に導出する手法は確立していない。そのためには核の構造変化を微視的に扱うことが必要である。
谷口や須原らは、核間距離を拘束条件としてエネルギー変分して、得られたエネルギーから各核の基底状態のエネルギーの和を引くことにより、核間ポテンシャルを導出する方法を開発した。この手法は、核間運動が核子の運動よりも遅い断熱近似に相当する。
その手法により得られた断熱核間ポテンシャルを 16O + 16, 18O 低エネルギー核融合断面積の導出に応用した。それぞれの核融合断面積の衝突エネルギーの依存性が再現され、それによりこの断熱核間ポテンシャルの妥当性が確認された。また、16O + 18O は 16O + 16O に比べて核融合断面積が大きくなるが、それは 18O の 2 余剰中性子の構造変化に起因することがわかった。
【３】原子核の反応(1) トリプルアルファ反応率の虚時間理論（赤堀、矢花、船木（理研））
トリプルアルファ反応は、３つのα粒子が同時に衝突して 12C 原子核を生成する反応であり、元素合成
や星の構造を理解する上で極めて重要な反応である。この反応率を直接実験で調べることはできない
ため、理論的な評価が重要となる。融合のメカニズムに関して、高温では 12C の 02+状態、いわゆる Hoyle
状態を経由した過程が主要であり、より低温では共鳴状態としてある時間存在する 8Be 核が、第３のα粒子と非共鳴的に衝突し生成する過程が重要となる。さらに低温では、３つのα粒子が共鳴状態を経ることなく 12C が生成される非共鳴過程（共鳴の裾を経る過程）が重要となると考えられている。この反応率に対して、最近、量子３体理論に基づいた評価がいくつかのグループによりなされた。しかしそれらの結果は、低温領域において 1020 を超える差異があり、反応率の理論的評価は混とんとした状況にある。
トリプルアルファ反応率を理論的に評価する上で困難となる点の一つは、３つの電荷を持つ粒子の散乱問題に対して、適切な定式化が知られていないことである。このため、３体反応の断面積や散乱振幅を求める際に、何かしらの近似が必要となる。我々はこの困難を克服する方策として、温度の逆数を虚時間とみなす光捕獲反応率に対する虚時間理論を提案した。この理論を用いると、散乱問題を解くことなく反応率を得ることが可能となるため、特にトリプルアルファ反応率の計算に適している。我々は虚時間理論に基づく計算によりトリプルアルファ反応率に関して次の結論を得てた。①従来用いられてきた反応率（NACRE）が、我々の微視的な３体理論計算により高い精度で再現される。②チャネル結合法を用いる場合、チャネルを制約すると何十桁もの反応率の増大をもたらす危険がある。またチャネル数に対する収束性が著しく遅い。③R 行列理論と虚時間理論を組み合わせることにより、従来用いられてきた反応率（２体反応が連続して起こるプロセスを仮定）の導出がサポートされる。

71

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

現在、これらの結果を論文にまとめている。

(2) 多核子移行反応の TDHF 計算（関澤、矢花）
我々は、低エネルギー原子核衝突の周縁部で重要となる核子移行反応に対して、時間 依 存
Hartree-Fock 理論に基づく記述を検討している。今年度、実験的な測定がなされている系 40, 48Ca+124Sn、
40

Ca+208Pb、 58Ni+208Pb に対する TDHF 計算の結果を論文にまとめた。さらに、KISS 計画の準備段階として KEK の実験グループが行っている 136Xe+198Pt 衝突に対して、移行反応に基づく原子核生成断面積の評価を行った。

4.

教育

＜学位＞
1. 理学博士：篠原康「Study on coherent phonon generation based on time-dependent
density functional theory」

2．理学修士：西山了史「Gauss 基底展開法を用いた Gogny-TDHF による軽い核の線形応答」

赤堀孝彦「低温領域におけるトリプルアルファ反応率の虚時間法を用いた研究」

植草雅人「ハイブリッド汎関数を用いた電子ダイナミクス計算」

高宮悠介「Kadanoff-Baym 方程式による原子分子の光応答の研究」＜集中講義＞
1. 中重原子核の構造
寺崎順

千葉大学理学研究科、2012 年 11 月 29,30 日

5.

受賞、外部資金、知的財産権等

１．科学研究費補助金

基盤（B）

矢花一浩（代表）、2011 年 4 月～2015 年 3 月、総額 16250 千円、
課題名「固体中のフェムト・アト秒電子ダイナミクスに対する第一原理計算」
２．科学研究費補助金

新学術領域研究（公募研究）矢花一浩（代表）、2011 年 4 月～2013 年 3 月、総額 3900 千円
課題名「高強度パルス光の伝播を記述するマルチスケール・シミュレータの開発」
３．科学研究費補助金

研究活動スタート支援

寺崎順（代表）、2011 年 8 月～2013 年 3 月、総額 2730 千円
課題名「Skyrme-QRPA を用いた二重ベータ崩壊の遷移行列要素の計算」
6.

研究業績

(1) 研究論文72

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

1. Nonadiabatic generation of coherent phonons
Yasushi Shinohara, Shunsuke A. Sato, Kazuhiro Yabana, Tomohito Otobe, Jun-ichi
Iwata,
George F. BertschJ. Chem. Phys. 67, 22A527 (2012), 138, 029903 (2013) Erratum.
2. Imaginary-time method for the radiative capture reaction rate
K. Yabana, Y. Funaki
Phys. Rev. C85, 055803 (2012).
3. Time-dependent Hartree-Fock calculations for multinucleon transfer processes
in 40, 48Ca+124Sn, 40Ca+208Pb, and 58Ni+208Pb reactions
K. Sekizawa, K. Yabana
arXiv:1303.0552 [nucl-th], submitted to Phys. Rev. C.
4. Dielectric response of laser-excited silicon
S.A. Sato, K. Yabana, Y. Shinohara, T. Otobe, G.F. Bertsch,
arXiv:1303.3249 [cond-mat.mtrl-sci], submitted to Phys. Rev. B.
5. Large scale calculations for cluster structure of light nuclei with Skyrme interaction
Y. Fukuoka, Y. Funaki, T. Nakatsukasa, K. Yabana
J. Phys. Conf. Ser. 436, 012012 (2013)
6. Stochastic approach to correlations beyond the mean field with the Skyrmeinteraction
Y. Fukuoka, T. Nakatsukasa, Y. Funaki, K. Yabana
AIP Conf. Proc. 1491, 222-225 (2012)
7. Overlap of quasiparticle random-phase approximation states for nuclear matrix
elements of the neutrino-less double-β decay
J. Terasaki
Phys. Rev. C 86, 021301(R) (2012)
8. Testing Skyrme energy-density functionals with the QRPA in low-lying vibrational
states of rare-earth nuclei73

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

J. Terasaki
Prog. Theor. Phys. Suppl. no. 196 (2012) 377
9. Overlap of quasiparticle random-phase approximation states based on ground statesof different nuclei: Mathematical properties and test calculations
J. Terasaki
Phys. Rev. C 87, 024316 (2013).
10. Overlap of QRPA states based on ground states of different nuclei
J. Terasaki
Acta Physica Polonica B 44, 259 (2013).
11. Computational Nuclear Quantum Many-Body Problem: The UNEDF Project
S. Bogner, A. Bulgac, J. Carlson, J. Engel, G. Fann, R.J. Furnstahl, S. Gandolfi, G.
Hagen, M. Horoi, C. Johnson, M. Kortelainen, E. Lusk, P. Maris, H. Nam, P. Navratil,
W. Nazarewicz, E. Ng, G.P.A. Nobre, E. Ormand, T. Papenbrock, J. Pei, S. C. Pieper, S.
Quaglioni, K. Roche, J. Sarich, N. Schunck, M. Sosonkina, J. Terasaki, I. Thompson, J.P.
Vary, S.M. Wild
Submitted to Computer Physics Communications
12. Linear responses in time-dependent Hartree-Fock Bogoliubov Method with Gognyinteraction,
Y.Hashimoto
Eur. Phys. Joun. A 48(2012): 55.
13. Separation of a Slater Determinant Wave Function with a Neck Structure into
Spatially Localized Subsystems
Y. Taniguchi and Y. Kanada-En'yo
Prog. Theor. Phys. 128, 349-362 (2012).
14. Prolate, oblate, and triaxial shape coexistence, and the lost magicity of N = 28 in 43S
M. Kimura, Y. Taniguchi, Y. Kanada-En'yo, H. Horiuchi, and K. Ikeda
Phys. Rev. C 87, 011301(R) (2013).
15. Adiabatic internuclear potentials obtained by energy variation with theinternuclear-distance constraint74平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Y. Taniguchi, Y. Kanada-En'yo and T. Suhara
Prog. Theor. Exp. Phys. 2013, 043D04 (2013).
16. Cluster correlations in largely deformed states
Y .Taniguchi
Jour. Phys. Conf. Ser. 436, 012055 (2013)17. Separation of a Slater Determinant Wave Function with a Neck Structure into
Spatially Localized Subsystems
Y. Taniguchi and Y. Kanada-En’yo
Few-Body Syst. DOI 10.1007/s00601-013-0623-3 (2013)
18. Cluster and deformation in C isotopes
Yoshiko Kanada-En'yo, Fumiharu Kobayashi, Tadahiro Suhara
AIP Conf. Proc. 1491, 5-9 (2012)19. 2α+t cluster structure in 11B
Tadahiro Suhara and Yoshiko Kanada-En'yo
Few-Body Syst. (2013)
20. Cluster structures of excited states in 11B
Tadahiro Suhara and Yoshiko Kanada-En'yo
accepted by IOP Conference Series (Cluster12)
21. Cluster correlation in light nuclei
Yoshiko Kanada-En'yo, Fumiharu Kobayashi, and Tadahiro Suhara
accepted by IOP Conference Series (Cluster12)
22. Three-dimensional structure of low-density nuclear matter
M.Okamoto, T.Maruyama, K.Yabana, T.Tatsumi,
Phys. Lett. B713, 284, 2012
23. Non-uniform structures in low-density nuclear matter and neutron star crust.
M.Okamoto, T.Maruyama, K.Yabana, T.Tatsumi
PoS (NIC XII) 218

75

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

24. Three-dimensional calculation of inhomogeneous nuclear matter
M.Okamoto, T.Maruyama, K.Yabana, T.Tatsumi
AIP Conf. Proc. 1484, 394 (2012)

国際会議発表1. Ab-initio theory for intense laser pulses in solids
K. Yabana
Korean Physical Society 2012 Spring Meeting, April 25-27, 2012, Daejeon, Korea
2. Ab-initio theory for intense lasere pulses in solids
K. Yabana
6th International Conference on Laser Probing, June 4-8, 2012, Paris, France
3. Real-time electron dynamics in solids under strong electromagnetic fields
K. Yabana
ISSP-CMSI International Workshop/Symposium on Material Simulation in Petaflopsera (MASP2012), June 27,2012, Tokyo, Japan
4. Time-Dependent Density Functional Theory for Electron Dynamics
K. Yabana
BERTSCHFEST, UW, Seattle, Sept. 7-9, 2012
5. Ab-initio description for the interaction of intense laser pulses with solids
K. Yabana
Frontiers in Intense Laser-Matter Interaction Theory (FILMITh), Sept. 19-21, 2012,
Max Planck Institute fur Quantenoptik, Garching, Germany
6. Triple-alpha reaction rate - tunneling of three charged particles
K. Yabana
Many-body Open Quantum Systems: From Atomic Nuclei to Quantum Optics,Sept.
24-28, 2012, ECT*, Trento, Italy
7. Multi-scale first-principles approach for strong electromagnetic fields in solids
K. YabanaInt. Symp. on Computics: Quantum Simulation and Design,76

Oct. 11-13, 2012, Osaka,

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Japan
8. A New Theoretical Approach for Triple-alpha Reaction Rate
K. Yabana
1st Visiting NAOJ Fellow Workshop on Element Genesis and Cosmic Chemical
Evolution: r-process perspective, Oct. 17-19, 2012, RIKEN Nishina Hall
9. Time-dependent density functional theory for ultrafast electron dynamics in solid
K. YabanaComputational approaches to nuclear many-body problems

and related quantum

systems, Feb. 12-16, 2013, RIKEN, Wako, Japan
10. Overlap of QRPA states based on ground states of different nuclei
J. Terasaki
XLVII Zakopane Conference on Nuclear Physics, Extremes of the Nuclear Landscape,
Zakopane, Poland, Aug. 27–Sep. 2, 2012.
11. Effects ofpairing correlation in anharmonic collective vibrationsin 44,52Ti with Gogny-TDHFB (poster)Y.Hashimoto
The 4thInternational Conference on “Collective Motion in Nuclei under Extreme

Conditions”, Shonan Village Center, Kanagawa, Japan, Oct. 22-26, 2012.
12. Separation of a Slater determinant wave function with a neck structure into
spatially localized subsystems,
Y. Taniguchi and Y. Kanada-En'yo
The 20th International IUPAP Conference on Few-Body Problems in Physics (FB20),
Fukuoka, Japan, Aug. 20-25, 2012.
13. Cluster correlations in largely deformed states
Y. Taniguchi
10th International Conference on Clustering Aspects of Nuclear Structure andDynamics (Cluster12), Debrecen, Hungary, Sept. 24-28, 2012.
14. Cluster correlations in largely deformed states77平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Y. Taniguchi
Large-scale computations for nuclear alpha-particle condensation, Wako, Japan, Nov.
13-19, 2012.
15. Cluster structures of excited states in 11B
T. Suhara
10th International Conference on Clustering Aspects of Nuclear Structure andDynamics (Cluster12), Debrecen, Hungary, Sept. 24-28, 2012.
16. 2α+t cluster structures in 11B
T. Suhara
The 20th International IUPAP Conference on Few-Body Problems in Physics (FB20),
Fukuoka, Japan, Aug. 20-25, 2012.

17. Real-Time TDDFT simulation for coherent phonon generation in crystalline solids
Y. Shinohara, S. A. Sato, K. Yabana, T. Otobe, J.-I. Iwata, G. F. Bertsch
APS march meeting 2013, Baltimore, USA, 2013 March 18-22 (Oral)
18. First principles calculation for electron-phonon dynamics in crystals underultrashort laser pulses (Poster)Y. Shinohara, S.A. Sato, K. Yabana, J.-I. Iwata, T. Otobe, G. F. Bertsch
ISD-QSD, Osaka, Japan, 2012 October 11-13
19. Coherent phonon generation in time-dependent density-functional theory (Poster)Y. Shinohara, S.A. Sato, K. Yabana, J.-I. Iwata, T. Otobe, G.F. Bertsch
MAterial Simulation in Petaflops era (MASP2012), Kashiwa, Japan, 2012 July 12-13
20. First-principles calculation for coherent phonon generation in solids
Y. Shinohara, K. Yabana, J.-I. Iwata, T. Otobe, G.F. BertschInternational Conference on Laser Probing, Paris, France, 2012 June 4-8
21.

Theoreticalinvestigationforcoherent

phononfirst-principles calculation (Poster)Y. Shinohara, K. Yabana, J.-I. Iwata, T. Otobe, G.F. Bertsch78

generation

studiedwith平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

CLEO:2012, San Jose, USA, 2012 May 8-10
22. Non-uniform structures in low-density nuclear matter and neutron star crust
M.Okamoto, T.Maruyama, K.Yabana, T.Tatsumi
12th International Symposium on Nuclei in the Cosmos, Cairns conventional hole,
Australia, Aug 5-10, 2012
23. Large scale calculations for cluster structure of light nuclei with Skyrme interaction
Y. Fukuoka, Y. Funaki, T. Nakatsukasa, K. Yabana
10th Int. Conf. Clustering Aspects of Nuclear Structure and Dynamics, Debrecen,
Hungary, 24-28 Sept. 2012.
24. A fully microscopic study of multinucleon transfer processes in 136Xe+198Pt: An
application of the time-dependent Hartree-Fock theory
K. Sekizawa, K. Yabana
10th ASRC International Workshop, Nuclear Fission and Decay of Exotic Nuclei,
Japan Atomic Energy Agency, Tokai, Japan, Mar. 21-22, 2013.
25. Time-dependent Hartree-Fock theory for multinucleon transfer processes inheavy-ion collisions
K. Sekizawa, K. Yabana
International workshop on Computational approaches to nuclear many-body problems
and related quantum systems, RIKEN, Wakou, Japan, Feb. 12-16, 2013.
26. Projection method for TDHF final wave function: Analysis ofmulti-nucleon

transfer processes
K. Sekizawa, K. Yabana
11th CNS International Summer School, RIKEN Nishina Center, Wakou, Japan, Aug.
29- Sept. 4, 2012.
27. Time-dependent density functional theory for ultrafast electron dynamics at solid
surfaces (poster)
S.A. Sato, Y. Shinohara, T. Otobe, K. Yabana
Frontiers in Intense Laser-Matter Interaction Theory (FILMITh), Max Planck Instituteof Quantum Optics, Munich, Germany, Sept. 19-21, 201279

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

28. First-principles numerical pump-probe experiments: intense laser pulses on solid(poster)
S.A. Sato, Y. Shinohara, T. Otobe, K. Yabana
MAterial Simulation in Petaflops era (MASP2012), Kashiwa library media hall,
Kashiwa, Japan, July 12-13, 2012

国内学会・研究会発表
1. フェルミ多粒子系ダイナミクスの大規模計算
矢花一浩
研究会「大規模シミュレーションと数理アルゴリズム」,2012 年 5 月 27－28 日,東京大工学
2. 高強度超短パルス光と物質の相互作用を記述する巨視的マクスウェル方程式の第一原理
計算
矢花一浩
超高速現象研究会、東京工業大学、8 月 3 日
3. 高強度パルス光と物質の相互作用を記述する第一原理マルチスケール・シミュレーショ
ン
矢花一浩
第３回計算物質科学イニシアティブ（CMSI)研究会～超並列計算が拓く新しい計算物質科学～、
2012 年 12 月 3-5 日
4. 物質科学と原子核理論の接点を巡って
矢花一浩
離合集散の物理とその拡がり、2013 年 1 月 26 日（土）京都大学基礎物理学研究所
5. A hybrid density functional + configuration mixing approach for light nuclei
K. Yabana
GCOE interdisciplinary workshop on numerical methods for many-body correlations,Feb. 5-6, 2013, Univ. Tokyo
6. 量子多体系の密度汎関数アプローチ
矢花一浩

80

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

素核宇宙融合レクチャーシリーズ第８回、2013 年 2 月 22-23 日、理化学研究所
7. Overlap of QRPA states based on ground states of different nuclei
寺崎順

筑波大学原子核理論研究室セミナー、2012 年 5 月 11 日
8. 原子核応答の大規模計算
寺崎順

筑波大学数理物質科学研究科

平成 24 年度定例第 8 回物理学セミナー、2012 年 10 月 31日
9. Skyrme-QRPA for nuclear collective dynamics with HPC
吉田賢市、松尾正之、下山裕孝、広川一也、中務孝、寺崎順
筑波大学計算科学研究センター学際共同利用

平成 23 年度成果報告・平成 24 年度中間報

告、2012 年 10 月 25 日
10. 原子核の密度汎関数理論を用いた二重ベータ崩壊行列要素と基底状態の計算
寺崎 順、矢花一浩、橋本幸男、熱田貴之
筑波大学計算科学研究センター学際共同利用

平成 24 年度中間報告、2012 年 10 月 25 日

11. Nuclear transition matrix elements of neutrino-less double-beta decay for
determining the neutrino mass
寺崎順

筑波大学計算科学研究センター年次報告会、2013 年 2 月 26 日
12. ユーザー支援活動報告
寺崎順

HPCI 戦略プログラム分野 5「物質と宇宙の起源と構造」全体シンポジウム、東京、2013 年 3 月 5,6 日
13. ニュートリノレス二重ベータ崩壊の原子核行列要素のための QRPA 状態の重複計算
寺崎順

日本物理学会

第 68 回年次大会、広島大学、2013 年 3 月 26-29 日81平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

14. 変形超流動原子核における素励起モード・応答関数の計算（ポスター）
中務孝、藏増嘉伸、数納広哉、江幡修一郎、稲倉恒法、寺崎順
平成 24 年度「京」を中核とする HPCI システム利用研究課題中間報告会、
東京、2013 年、3 月 14,15 日
15. 35S の負パリティ超変形状態のクラスタ相関
谷口億宇
第 68 回日本物理学会年次大会、広島大学、東広島, 2013 年 3 月 26-29 日
16. p 及び sd 殻核の変形とクラスタ相関
谷口億宇
微視的有効相互作用の理論と核構造・核反応、京都大学、京都, 2013 年 2 月 12-14 日.
17. 42Ca における変形状態の共存と クラスタ相関
谷口億宇
日本物理学会秋季大会、京都産業大学、京都, 2012 年 9 月 11-14 日.
18. sd 殻領域核の変形状態におけるクラスタ相関
谷口億宇
原子核の閾値近傍における共鳴現象と反応ダイナミクス, 大阪大学、茨木, 2012 年 7 月
18-20 日.
19. 11B における 2α+t クラスター構造
須原唯広
RCNP 研究会「原子核の閾値近傍における共鳴現象と反応ダイナミクス」、2012 年 7 月 20日
20. クラスター・シェル競合を記述する模型の発展
須原唯広，板垣直之
日本物理学会秋季大会、京都産業大学、京都, 2012 年 9 月 11-14 日.
21. 炭素同位体におけるリニアチェイン構造
須原唯広
日本物理学会秋季大会、京都産業大学、京都, 2012 年 9 月 11-14 日.

82

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

22. 現実的核力を用いたクラスター構造計算に向けて
須原唯広
原子核クラスター構造、反応研究における戦略ミーティング、理研ミニワークショップ、
2012 年 11 月 9-10 日
23. 16C に現れるクラスター構造
須原唯広、延与佳子
日本物理学会 68 回年次大会、広島大学、2013 年 3 月 26 日-29 日
24. ラマン感受率の第一原理計算とコヒーレントフォノン振幅の評価
篠原康、佐藤駿丞、矢花一浩
日本物理学会 68 回年次大会、広島大学、2013 年 3 月 26 日-29 日
25. First-principles calculation for coherent phonon generation in solids (ポスター)
篠原康、佐藤駿丞、矢花一浩、乙部智仁、岩田潤一、G.F. Bertsch
テラヘルツ分光法の最先端--ここまできたテラヘルツ時間領域分光--、筑波大学
2012 年 10 月 25 日-26 日
26. 時間依存密度汎関数理論による半金属コヒーレントフォノン生成の振動数依存性の分析
篠原康、佐藤駿丞、矢花一浩、岩田潤一、乙部智仁、George F. Bertsch
日本物理学会 2012 年秋季大会、横浜国立大学、2012 年 9 月 18 日-21 日 (口頭)27. 第一原理計算による半金属コヒーレントフォノン生成の振動数依存性の分析
篠原康、佐藤駿丞、矢花一浩、岩田潤一、乙部智仁、George F. Bertsch
第 73 回応用物理学会学術講演会、愛媛大学・松山大学 2012 年 9 月 11 日-14 日

28. シフト線型方程式のクリロフ部分空間法のスカラー化とその時間依存密度汎関数理論への応用(ポスター)
篠原康、矢花一浩、二村保徳、櫻井鉄也
日本応用数理学会 2012 年度年会、稚内全日空ホテル 2012 年 8 月 28 日-9 月 2 日
29. コヒーレントフォノンの第一原理計算

83

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

篠原康
超高速現象研究会、東工大、8 月 3 日
30. 原子核パスタ”と中性子星クラスト
岡本稔、丸山敏毅、矢花一浩、巽敏隆
基研研究会「ハドロン物質の諸相と状態方程式-中性子星の観測に照らして-」、京都大学基礎物理学研究所、2012 年 8 月 30 日-9 月 1 日
31. 中性子星クラスト物質における構造と力学的性質
岡本稔、丸山敏毅、矢花一浩、巽敏隆
日本物理学会 2012 年秋季大会、京都産業大学、2012 年 9 月 11-14 日
32. Non-uniform nuclear matter in neutron star crust
岡本稔、丸山敏毅、矢花一浩、巽敏隆
Symposium on “Quarks to Universe in Computational Science (QUCS 2012) ”、 奈良県
新公会堂、2012 年 12 月 13-16 日
33. 実空間格子での Gogny 相互作用を用いた計算
福岡佑太、船木靖郎、矢花一浩、中務孝
日本物理学会

2012 年秋季大会、京都産業大学、2012 年 9 月 11－14 日

34. Skyrme 力を用いたスレーター行列式の重ね合わせによる軽い核の記述：16O と 20Ne
福岡佑太、船木靖郎、矢花一浩、中務孝
日本物理学会

第 68 回年次大会、広島大学東広島キャンパス、2013 年 3 月 26－29 日

35. TDHF 計算による核子移行反応の系統的分析
関澤一之、矢花一浩
日本物理学会

第 68 回年次大会、広島大学東広島キャンパス、2013 年 3 月 26－29 日

36. 射影演算子を用いた核子移行 TDHF 波動関数の分析
関澤一之、矢花一浩
日本物理学会

2012 年秋季大会、京都産業大学、2012 年 9 月 11－14 日

37. 時間依存平均場計算に基づく核子移行反応による生成核種波動関数の分析
関澤一之、矢花一浩
2012 年度原子核三者若手夏の学校、2012 年 8 月 2－7 日84平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

38. 密度汎関数理論に基づく原子核ダイナミクスの研究（ポスター）
関澤一之、矢花一浩、橋本幸男
平成 24 年度「京」を中核とする HPCI システム利用研究課題中間報告会、イイノカンファ
レンスセンター、2012 年 3 月 15 日
39. 時間依存平均場計算に基づく核子移行反応による生成核種波動関数の分析（ポスター）
関澤一之、矢花一浩
2012 年度原子核三者若手夏の学校、2012 年 8 月 2－7 日
40. 熱核融合反応率の虚時間計算
矢花一浩，船木靖郎
日本物理学会

2012 年秋季大会、京都産業大学、2012 年 9 月 11－14 日

41. 虚時間法を用いた 3α融合反応率の計算
赤堀孝彦，矢花一浩，船木靖郎
日本物理学会

2012 年秋季大会、京都産業大学、2012 年 9 月 11－14 日

42. 虚時間法を用いた 3α融合反応の研究
赤堀孝彦、矢花一浩、船木靖郎
日本物理学会 第 68 回年次大会 ,広島大学, 2013 年 3 月 26 日～29 日
43. 超高速誘電応答変化に対する第一原理ポンププローブ数値実験
佐藤 駿丞、篠原康、乙部智仁、矢花一浩、George F. Bertsch
日本物理学会 第 68 回年次大会 ,広島大学, 2013 年 3 月 26 日～29 日
44. パルス光による電子ホールプラズマ生成の第一原理計算
佐藤 駿丞、篠原 康、乙部智仁、矢花一浩
2012 年 秋季 第 73 回応用物理学会学術講演会 ,愛媛 松山大学 、2012 年 9 月 11 日～14
日
45. パルス光による固体表面の超高速誘電関数変化の第一原理計算(ポスター)
佐藤 駿丞、篠原康、乙部智仁、矢花一浩、George F. Bertsch
計算物質科学研究センター(CCMS)・元素戦略プロジェクト 合同研究会「計算物性物理学の新展開」 東京大学物性研究所, 2013 年 1 月 10 日～-11 日85

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(4) その他の発表＜セミナー＞
1. First principles calculation of electron dynamics under strong electromagnetic fields
K. Yabana
Univ. Vienna, Sept. 14, 2012
2. Ab-initio simulations of intense pulse propagation in SiO2
K. YabanaMax-Planck Institute for Quantum Optics, Garching, Germany, Mar. 13, 2013
3. Time-dependent density functional theory for electron dynamics in solids understrong electromagnetic fields
K. YabanaTechnische Universitat Wienna, Mar. 15, 20137.

異分野間連携・国際連携・国際活動等

１．計算科学研究センター内異分野間連携‐

量子物性研究部門の仝暁民准教授と、パルスレーザーと物質の相互作用に関し、ウィーン工科大を交えた共同研究について準備を始めた。（矢花）‐星間空間における光誘起 L 型アミノ酸過剰の理論的研究に関し、生命科学研究部
門、宇宙分野との連携研究に参加。（矢花）‐超並列 GPU 計算機 HA-PACS の利用に関し、センターの先端計算科学推進室に参画し、電子ダイナミクス計算を GPU 化した計算コードを作成し研究を進めた。
（矢
花、谷口）

２．国際連携・国際活動‐

アト秒光科学に関する F. Krausz 教授、V. Yakovlev 研究員（独マックスプランク
量子光学研究所実験・理論グループ）との共同研究。ルードヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘン客員教授（矢花）86平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

電子ダイナミクスの計算科学的アプローチに関して、G.F. Bertsch 教授（米国ワシ‐ントン大学）との共同研究の継続、K. Varga 准教授（米国バンダービルト大学）と共同研究に関する打ち合わせを始める。（矢花）電子ダイナミクスの計算科学的アプローチに関して、K.-M. Lee 研究員（韓国 APRI）‐との共同研究。（矢花）8.

シンポジウム、研究会、スクール等の開催実績

HPCI 戦略プログラム分野５と分野２の共催による異分野交流研究会を、量子モン‐

テカルロ計算をテーマに 2012 年 5 月 30 日東京大学物性研究所で開催。
9.

管理・運営

‐

KEK 大型シミュレーション研究推進委員（矢花）‐APCTP 日本委員会委員（原子核分野）（矢花）‐核理論委員会委員（矢花）10. 社会貢献・国際貢献‐

HPCI 戦略プログラム分野５のユーザー支援において、プログラム支援をとりまとめる役割を果たしている（寺崎）。

‐

企業研究会 CAMM フォーラムにおける講演「光科学のフロンティアと第一原理計算」、矢花一浩、2013 年 1 月 11 日、アイビーホール。

‐

朝日カルチャーセンターでの一般向け講演「原子核物理学が解き明かす元素の起源」、矢花一浩、スーパーコンピュータが解き明かす宇宙と物質の起源、2012 年
8 月 25 日‐

European Physical Jorunal A 誌の編集委員（矢花）11. その他

特になし

87

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

III. 量子物性研究部門
III-1. 半導体ナノ物性グループ
1.

メンバー

教授

白石

助教

神谷 克政

研究員

Cristoph M. Puetter、洗平昌晃

学生

大学院生

2.

賢二

14 名

概要

半導体ナノ物性グループは本年度は、ナノ物質・ナノ材料の機能・物性解明、及び、新奇ナノ物質のデザインを目指したナノサイエンス・ナノテクノロジーの研究、と宇宙生
命連携の研究を行った。

3.

研究成果

【１】

次世代パワーデバイス材料 SiC の研究

SiC は次世代パワーデバイスとして期待されている。本研究では SiC 熱酸化によって C-C ボンドが界面フロントに必ず形成されることを第一原理計算によって示した。本研究成果は、熱酸化によって形成された SiC/SiO2 界面の特性がなぜ悪いのかという長年にわたる問題を原子レベルから世界で初めて明らかにしたもの
で、パワーデバイス業界から大きな注目を集めている。

【２】

図 1: SiC の熱酸化の原子レベルの機構の模式図

次世代メモリ抵抗変化型メモリの機能発現機構の電子レベルでの解明
次世代メモリとして期待される抵抗変化型メモリは酸素空孔の凝集・離散による伝導フィラメントの形成と破壊が機能発現機構と考えられている。昨年度我々は、伝導フィラメントの形成・破壊はキャリア注入をきっかけとする構造相転移であることを世界に先駆けて明らかにした。本年度我々は、高性能の抵抗変化型メモリの設計指針を明らか
88

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書にした。それは HfO2 と電極の間に酸素空孔が形成されにくい Al2O3 層を挿入することによって、抵抗変化型目盛の ON-OFF 比が飛躍的に向上することを示し、さらに Al2O3層の最適な厚さ等に関する設計も第一原理量子論によって行った。

図２：高性能の抵抗変化メモリ設計の指針【３】星間空間によるアミノ酸の形成・破壊過程の研究

星間空間におけるアミノ酸の形成・破壊は太陽系における生命誕生につながる非常に重要な物性である。本研究では当該センターの宇宙グループ・原子核グループ・生命グ
ループと共同して初期太陽系における L 型アミノ酸過剰発生の原因を第一原理量子論
によって昨年度に引き続いて考察した。具体的には昨年度行った３つのアミノ酸以外のアミノ酸の円偏光二色性の計算を行った。その結果、昨年度検討した 3 種のアミノ酸と同様に、真空紫外領域の円偏光照射が L 型アミノ酸過剰を引き起こす可能性が高いことを明らかにした。
89平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書【４】

多電子波束ダイナミクスの計算科学による検討

多電子波束ダイナミクスを時間依存ハートリーフォック近似を用いて考察し、多電子波束の特異な性質を明らかにした。その結果、電子は多くの電子から構成される波束として運動し、さらに一つの波束に含まれる電子数には限界があることも示した。

図３：多電子波束による新しい伝導機構の模式図

4.

教育

博士論文
田中潤一

エッチングプロセスにおける気相および表面反応の研究

鈴木輝夫

ナノスケールＳｉ半導体デバイスのコンポーネントレベルＥＳＤに関す
る研究

修士論文
吉崎智浩

4H-SiC 中の点欠陥の理論的検討

近藤大生

Q/N に富んだペプチドがつくるアミロイド線維の構造安定化機構の計算
科学的解析

田口真彦

Theoretical study on the absorption spectrum of light-harvesting antenna inphotosynthesis based on time-dependent density functional theory and its
application for the detection of biomarker in extrasolar planets

5.

受賞、外部資金、知的財産権等受賞
1.

長川健太：若手奨励賞（服部賞）、第 18 回ゲートスタック研究会 ー材料・
プロセス・評価の物理ー, 2013 年 1 月 26 日,口頭発表 東レ総合研修センター,
静岡県.

90

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

2.

ヤンムンヨン：Best Poster Paper Award, Workshop and IEEE EDS Mini-colloquium
on Nanometer CMOS Technology (WIMNACT) 37

2013 年 2 月 18 日、東京工業大学、東京都3.

ヤンムンヨン：優秀発表賞,

2012 年度韓国物理学会（秋学術論文発表会）,2012

年 10 月

6.

研究業績

(1)

研究論文

1.

Y. Takada, Y. T. Yoon, T. Shiokawa, S. Konabe, M. Arikawa, M. Muraguchi, T.
Endoh, Y. Hatsugai, and K. Shiraishi, "Multi-Electron Wave Packet Dynamics inApplied Electric Field", Jpn. J. Appl. Phys. 51, Art. No. 02BJ01 (2012)

2.

K. Kamiya, Y. Ebihara, M. Kasu, and K. Shiraishi, "Efficient Structure for
Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes with High Emission Efficiency: A
First-Principles Study of AlN/GaN Superlattice", Jpn. J. Appl. Phys. 51, Art. No.
02BJ11 (2012).

3.

M. Arikawa, M. Muraguchi, Y. Hatsugai, K. Shiraishi, and T. Endoh, "Role ofSynthetic Ferrimagnets in Magnetic Tunnel Junctions from Wave Packet
Dynamics",,Jpn. J. Appl. Phys. 51, Art. No. 02BM03 (2012).

4.

Yasuhiro Ebihara, Kenta Chokawa, Shigenori Kato, Katsumasa Kamiya, Kenji
Shiraishi, "Intrinsic origin of negative fixed charge in wet oxidation for siliconcarbide", Applied Physics Letters 100, 212110 (3 pages) (2012).

5.

Takashi Yamauchi, Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, Kenji Shiraishi, Takashi
Nakayama, "Theoretical study of Si-based ionic switch", Applied Physics Letters 100,
203506 (4 pages) (2012).

6.

Mitsuo Shoji, Kyohei Hanaoka, Akimasa Sato, Daiki Kondo, Moon Young Yang,
Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi, ”Calculation of the Electron Transfer
Coupling Matrix Element in Diabatic Reactions", International Journal of Quantum
Chemistry, DOI: 10.1002/qua.24074 (2012).
91平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

7.

Katsumasa Kamiya, Yasuhiro Ebihara, Kenta Chokawa, Shigenori Kato, and Kenji
Shiraishi, "Origins of Negative Fixed Charge in Wet Oxidation for SiC", Materials
Science Forum, 740-742, 409-412 (2013).

8.

Kenta Chokawa, Shigenori Kato, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi, "A New-Typeof Defect Generation at a 4H-SiC/SiO2 interface by Oxidation Induced Compressive
Strain", Materials Science Forum, 740-742, 469-472 (2013).

9.

Shigenori Kato, Kenta Chokawa, Katsumasa Kamiya, and Kenji Shiraishi,"Theoretical Study of N incorporation Effect during SiC Oxidation", Materials
Science Forum, 740-742, 455-458 (2013).

10. Taro Shiokawa, Genki Fujita, Yukihiro Takada, Satoru Konabe, Masakazu Muraguchi,

Takahiro Yamamoto, Tetsuo Endoh, Yasuhiro Hatsugai, Kenji Shiraishi, “Dynamical
Study of Multi-Electron Wave Packet in Nanoscale Structure”, 52, 04CJ06 (2013).
11. Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Takahiro Nagata, Seong-Geon Park, Blanka

Magyari-Köpe, Toyohiro Chikyow, Keisaku Yamada, Masaaki Niwa, Yoshio Nishi,
and Kenji Shiraishi, "Generalized Mechanism of the Resistance Switching in
Binary-Oxide-Based Resistive Random-Access Memories", Physical Review B, 87,
155201 (5 pages) (2013).
12. Katsumasa Kamiya and Susumu Okada, "Energetics and Electronic Structures of

Alkanes Adsorbed on Carbon Nanotubes", Japanese Journal of Applied Physics, 52,
04CN07 (3 pages) (2013).
13. Kenji Shiraishi, Keita Yamaguchi, Moon Young Yang, Seong-Geon Park, Katsumasa

Kamiya, Yasuteru Shigeta, Blanka Magyari-Köpe, Masaaki Niwa, and Yoshio Nishi,"Computational Study toward Micro Electronics Engineering", Proceedings of 2012
28th International Conference on Microelectronics (MIEL), 65-70 (2012).
(2)

国際学会発表A) 招待講演1.

Kenji Shiraishi, Keita Yamaguchi, Moon Young Yang, Seong-Geon Park, Katsumasa
Kamiya, Yasuteru Shigeta, Blanka Magyari-Köpe, Masaaki Niwa, and Yoshio Nishi,
92平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書"Computational Study toward Micro Electronics Engineering", 2012 28th International
Conference on Microelectronics, May 13-16
2.

2012, University of Nis, Nis, Serbia.

Kenji Shiraishi, Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, Hiroyoshi Momida, Blanka
Magyari-Köpe, Takahisa Ohno, Masaaki Niwa, and Yoshio Nishi, "On-Off Switching
Mechanism of Oxide Based ReRAM by Ab Initio Electronic Structure Calculations",
2nd International Workshop on Resistive RAM, October 8-9 2012, Stanford
University, Stanford, USA.

3.

Kenji Shiraishi, Moon Young Yang, Katsumasa Kamiya, Blanka Magyari-Köpe,
Masaaki Niwa, and Yoshio Nishi, "First Principles Guiding Principles for theSwitching Process in Oxide ReRAM", 2012 IEEE 11th International Conference on
Solid-State and Integrated Circuit Technology, October 29-November 1 2012,
Paradise Resort Hotel, Xian, China.

4.

Katsumasa Kamiya, "On-off Switching Mechanism of Oxide Based ReRAM by First
Principle Calculation", NCCAVS Thin Film Users Group, November 2012,, SEMI
Global Headquarters, San Jose, USA.

5. Kenji Shiraishi, Katsumas Kamiya, Yasuhiro Ebihara, Kenta Chokawa,andShigenori Kato, Atomistic investigation of SiC/SiO2 interfaces for the SiC-MOSFET
power devices, The Collaborative Conference on Crystal Growth (3CG), December
11-14 2012, Orlando, Florida, USA
6.

K. Shiraishi, T. Shiokawa, G. Fujita, Y.Takada, M. Muraguchi, T. Yamamoto, T.
Endoh, Y. Hatsugai, “Theoretical study of multi-electron wave packet dynamics insemiconductor nano-structures”, 2nd International Conference on Small Sciences,
December 16-19

7.

2012, Orland, Florida

Katsumasa Kamiya, "First-Principles Studies on Proton Transfer Mechanisms in
Cytochrome c Oxidase", 2012 International Conference on Small Science, December
2012,

8.

Wald Disney World Swan and Dolphin, Orlando FL, USA.

Blanka Magyari-Köpe, Katsumasa Kamiya, Kenji Shiraishi, and Yoshio Nishi,"Atomic-size Effects of the Conductive Filaments Formation and Rupture in
Resistance Change Based Memory Devices", 2012 International Conference on Small
Science, December 2012, Wald Disney World Swan and Dolphin, Orlando FL, USA.

9.

K. Shiraishi, K. Chokawa, S. Kato, C. Shinnei, and K. Kamiya 、Guiding Principles
toward SIC-MOSFET for Future Power Device Applications、Workshop and IEEEEDS Mini-colloquium on Nanometer CMOS Technology (WIMNACT) 37, February
18 2013, 東京工業大学、東京都

B) 一般講演93平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

1.

Taro Shiokawa, Yukihiro Takada, Young Taek Yoon, Satoru Konabe, Masakazu
Muraguchi, Mitsuhiro Arikawa, Tetsuo Endoh, Yasuhiro Hatsugai, Kenji Shiraishi,“Applied Electric Field Dependence of Multi-electron Wave Packet Dynamics”, The
Eighth International Nanotechnology Conference on Communication and Cooperation,
May 8-11, 2012, Tsukuba, Japan.

2.

Taro Shiokawa, Yukihiro Takada, Satoru Konabe, Masakazu Muraguchi, Tetsuo
Endoh, Yasuhiro Hatsugai, Kenji Shiraishi,“The Effect of Coulomb Interaction in
Multi-Electron Wave Packet Dynamics”, 31st International Conference on the Physics
of Semiconductors, July 29-August 3, 2012, Zurich, Switzerland.

3.

Yukihiro Takada, Young Taek Yoon, Taro Shiokawa, Satoru Konabe, Mitsuhiro
Arikawa, Masakazu Muraguchi, Tetsuo Endoh, Yasuhiro Hatsugai, Kenji
Shiraishi,“Effectiveness of Time-Dependent Hartree-Fock Approaches forMulti-Electron Wave Packet Dynamics in Nanoscale Structures”, 31st International
Conference on the Physics of Semiconductors, July 29-August 3, 2012, Zurich,
Switzerland.

4.

Christoph M. Puetter, Satoru Konabe, Kenji Shiraishi,“Wavepacket dynamics ingrapheme”, 31st International Conference on the Physics of Semiconductors, July
29-August 3, 2012, Zurich, Switzerland.

5.

Taro Shiokawa, Genki Fujita, Yukihiro Takada, Satoru Konabe, Masakazu Muraguchi,
Takahiro Yamamoto, Tetsuo Endoh, Yasuhiro Hatsugai, Kenji Shiraishi,“Effect ofCoulomb Interaction in Electron Wave Packet Dynamics in Nanoscale Devices”, 2012
International Conference on Solid State Devices and Materials, September 25-27,
2012, Kyoto, Japan.

6.

Yukihiro Takada, Taro Shiokawa, Young Taek Yoon, Satoru Konabe, Yasuhiro
Hatsugai, Kenji Shiraishi Takahiro Yamamoto、“Multi-Electron Wave Packet
Dynamics for Electron Transport in Classical-Quantum Crossover Regions”、
IUMRS-International Conference on Electronic Materials (IUMRS-ICEM 2012),
September 23-28, 2012, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan.
94平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

7.

Taro Shiokawa, Genki Fujita, Yukihiro Takada, Satoru Konabe, Masakazu Muraguchi,
Takahiro Yamamoto, Tetsuo Endoh, Yasuhiro Hatsugai Kenji
Shiraishi,“Multi-Electron Wave Packet Dynamics with Long-range Coulomb
Interaction”, 2012 Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS
2012) , December 2-7, 2012, Kohala Coast, Hawaii, USA .

8.

C. M. Puetter, S. Konabe, Y. Hatsugai, K. Shiraishi, “Semi-classical Klein tunnelingwith Berry curvature effects in graphene”, 2012 Workshop on Innovative Nanoscale
Devices and Systems (WINDS 2012) , December 2-7, 2012, Kohala Coast, Hawaii,
USA.

9.

Takefumi Kamioka, Hiroya Imai, Yoshinari Kamakura, Kenji Ohmori, Kenji Shiraishi,
Masanori Niwa, Keisaku Yamada, Takanobu Watanabe, ”Current fluctuation in
sub-nano second regime in gate-all-around nanowire channels studied with ensemble
Monte Carlo/molecular dynamics simulation”, IEEE International Electron Devices
Meeting (IEDM) , December. 11, 2012, San Francisco, USA.

10. Katsumasa Kamiya, Moon Young Yang, Blanka Magyari-Köpe, Masaaki Niwa,

Yoshio Nishi, and Kenji Shiraishi, "Physics in Designing Desirable ReRAM Stack
Structure -Atomistic Recipes Based on Oxygen Chemical Potential Control andCharge Injection/Removal", IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) ,December. 11, 2012, San Francisco, USA.
11. C. Shinnei, K. Chokawa, K. Kamiya and K. Shiraishi、Effect of Strain to theElectronics Structures of SiC Thin Film with Various Poly Types and Suggestion of
Suitable MOSFET Direction, Workshop and IEEE EDS Mini-colloquium on
Nanometer CMOS Technology (WIMNACT) 37, February 18 2013, 東京工業大学、
東京都(3) 国内学会・研究会発表
A) 招待講演1.

白石賢二，長川健太，海老原康裕、加藤重徳、真栄力、神谷克政、第一原理計算に基づく SiC-MOSFET の設計指針、 第 21 回 SiC 研究会講演会、大阪市中央
公会堂、大阪府、2012 年 11 月.
95

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書B) その他の発表
1.

塩川太郎、藤田弦暉、髙田幸宏、小鍋哲、村口正和、山本貴博、遠藤哲郎、初貝安弘、白石賢二、「多電子波束を用いた円電流ダイナミクスへの電子間相互作用の効果」、日本物理学会 2012 年年会、広島大学、2012 年 3 月 26 日〜29
日2.

髙田幸宏、塩川太郎、尹永択、小鍋哲、初貝安弘、白石賢二、山本貴博、「古典−量子クロスオーバー系における電子波束ダイナミクス」、第 73 回応用物理学会学術講演会、愛媛大学・松山大学、松山市、2012 年 9 月 14 日

3.

塩川太郎、藤田弦暉、髙田幸宏、小鍋哲、村口正和、山本貴博、遠藤哲郎、初貝安弘、白石賢二、「一次元非一様ポテンシャル中の波束ダイナミクス」、日本物理学会 2012 年秋季大会、横浜国立大学、2012 年 9 月 18 日〜21 日

4.

藤田弦暉、塩川太郎、髙田幸宏、小鍋哲、村口正和、山本貴博、遠藤哲郎、初貝安弘、白石賢二、「ナノ構造中の多電子波束ダイナミクスにおける電子間相互作用の効果」、日本物理学会 2012 年秋季大会、横浜国立大学、2012 年 9 月
18 日〜21 日

5.

長川健太、加藤重徳、真栄力、神谷克政、白石賢二、酸化による C-C 欠陥の形
成と SiC MOSFET の性能劣化の理論的考察、第 21 回 SiC 研究会講演会、2012
年 11 月、大阪市中央公会堂、大阪府.

6.

長川健太、加藤重徳、真栄力、神谷克政、白石賢二、SiC 酸化よる Si-Si 結合欠陥の形成と結晶多形による違いの考察、第 21 回 SiC 研究会講演会、2012 年 11月、大阪市中央公会堂、大阪府.

7.

真栄 力,長川 健太, 神谷 克政, 白石 賢二、第一原理計算を用いた結晶多形の異なる薄膜 SiC における歪みによる電子構造変化の考察、 第 21 回 SiC 研究会
講演会、2012 年 11 月、大阪市中央公会堂、大阪府.

8.

神谷克政、長川健太、個別討論会「SiC-MOS デバイス研究開発に関する最新動向と技術課題」、第 21 回 SiC 研究会講演会、2012 年 11 月 19〜20 日、大阪市中央公会堂、大阪府.（パネル討論）

9.

長川 健太, 加藤 重徳, 真栄 力, 神谷 克政, 白石 賢二、 酸化により引き起こ
される SiC の本質的欠陥 第 18 回 ゲートスタック研究会 -材料・プロセス・評
価の物理-2013 年 1 月 25〜26 日、ニューウェルシティー湯河原、静岡県

10. 真栄 力,長川 健太, 神谷 克政, 白石 賢二、第一原理計算を用いた結晶多形の異なる薄膜 SiC における歪みによる電子構造変化の考察と MOSFET の最適面
方位の提言、第 18 回 ゲートスタック研究会 -材料・プロセス・評価の物理-2013
年 1 月 25〜26 日、ニューウェルシティー湯河原、静岡県
11.

藤田弦暉、塩川太郎、髙田幸宏、小鍋哲、村口正和、山本貴博、遠藤哲郎、初96

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

貝安弘、白石賢二、「スピン自由度を考慮した多電子波束ダイナミクスにおける電子間相互作用の効果」、日本物理学会 2013 年年会、横浜国立大学、2013
年 3 月 26 日〜29 日(4) 著書、解説記事等
7.

異分野間連携・国際連携・国際活動等

8.

シンポジウム、研究会、スクール等の開催実績

9.

管理・運営

組織運営や支援業務の委員・役員の実績
10. 社会貢献・国際貢献
11. その他

海外長期滞在、フィールドワークなど
III-2. ナノ構造物性グループ
1.

メンバー

准教授

岡田晋

研究員

小鍋哲、富田陽子

学生

大学院生

2.

2 名、学類生3名

概要

ナノスケール構造を持つ物質においては、その物性は系のサイズ、表面(端)形状等に非常に大きく依存することが知られている。このことは、他方において、既存の物質においても、物質のサイズをナノメーターオーダーとし、その形状を制御することにより、
新奇物性、新機能発現を誘起させることが可能であることを示唆している。実際、興味深い物性を示す種々のナノスケール炭素物質群の合成が近年盛んになされている。例えば、有限幅のグラファイト断片（グラファイトリボン）はその端形状に依存して、端を構成する原子にスピン分極が生じる事が知られている。さらに、このリボンを丸めた有限長さのナノチューブでは、そのチューブ直径に依存して、強磁性、反強磁性磁気秩序を示す事が我々の量子論に基づく全エネルギー計算から明らかになっている。また、チューブに５員環と８員環からなるトポロジカル欠陥を導入することにより、欠陥にそって分極電子が局在しチューブ軸にそって強磁性的秩序を発現する。
我々のグループでは，ナノサイズ炭素系（ナノチューブ、フラーレン、グラファイト）の電子物性を理論的に解析することによって，サイズ、形状が誘起する特異な電子物性発現の可能性を探索する事を目的としている。
3.

研究成果

97

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書【１】 カーボンナノチューブにおける多重励起子生成機構の解明
本論文では，単層カーボンナノチューブにおいて，多重励起子生成(一つの光子から複数個の励起子が生成されるプロセス)の微視的機構を調べた．多重励起子生成については，１０数年にわたりゼロ次元物質である量子ドットの分野で注目され，現象の理論的解明が試みられてきたが，これまで未解決である．
これは，理論と実験との比較が困難なことや，理論モデ
リングが複雑なことが原因である．本研究は，カーボンナノチューブに注目する事で，量子ドットにおける理論解析の困難を克服し，多重励起子生成の微視的機構を明らかにした(図 1)．
【２】 カーボンナノチューブにおける励起子—キャリア散乱抑制機構の解明
本論文では，キャリアドープした半導体カーボンナ
ノチューブにおいて，励起子の位相緩和ダイナミクスを調べるため，励起子ーキャリア弾性散乱率を計算した．その結果，低次元性に伴う多体効果により，励起子−キャリア散乱が強く抑制されることがわかった(図)．一般に，ドープした半導体では，この散乱は主要な励起子位相緩和プロセスであり，光吸収スペ
クトルの形状を決める． しかし，本研究により，従来の半導体光物性の常識が相互作用効果の強いナノスケール物質では全く成り立たないことが明らかになった．
【３】 カーボンナノチューブにおける光電流の見積もり
本論文では，単層カーボンナノチューブにおいて，多重励起子生成機構による電流生成を理論的に調べた．カーボンナノチューブでは，多重励起子生成が高効率に起こることが知られているが，それがどの程度電流生成に寄与するかは明らかではなかった．本研究により，多重励
起子生成に起因し電流生成も高効率に生じることがわかった(図)．
【４】 有限長カーボンナノチューブにおける特異な電界遮蔽効果98

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

CNT は半導体デバイスとしての応用が期待されている。デバイス中においては CNT
は本質的に種々の異種物質との複合構造を形成している。そのなかで、電界はデバイスの機能制御において最も重要な広義異種物質である。ここでは、CNT を用いた電界効
果トランジスタにおいて考えられる電界効果として、ソースードレイン電極間に架橋された CNT の電界下における基礎物性を密度汎関数理論に基づく第一原理計算と有効媒
質遮蔽模型を用いて明らかにした。その結果、CNT のキャップ、終端水素に起因する
C-C 結合の結合交代が外部電界に対する遮蔽において非常に重要な影響を及ぼす事が明らかになった。すなわち、結合長の短い２重結合にかかわる炭素原子において電界遮蔽が強くおこり、結合長の比較的長い単結合領域において電界遮蔽が弱い事が明らかになった。さらに、ジグザグ端を有する有限長ナノチューブにおいては、其の端近傍において異常な電界遮蔽、すなわち電界に対する過剰な遮蔽現象が生じる事が明らかになった。この事は、仮に電極からオーミックにキャリアが注入されたとしても、CNT のジ
グザグ端近傍においてキャリアが多重散乱を受ける事を示しており、デバイス設計において電極とのコンタクト形状の制御が非常に重要である事を明らかにしたものである。
【５】 小さいフラーレンからなる新奇ナノカーボン物質
本研究では、炭素原子数が２８個からなる C28 フラーレンに着目し、C28 フラーレン
多面体からなる３次元ネットワーク構造の安定性と電子構造を密度汎関数論に基づく第一原理計算から明らかにした。その結果、C28 多面体から形成されるダイヤモンド構造を有する新奇炭素同素体の可能性が明らかになった。また、複数個の準安定構造が存在すること、それら全てが 1eV 程度の狭いバンドギャップを有する半導体であることが明らかになった。また、それらの準安定相は圧力誘起相転移において構造転移が可能であり、圧力によるバンドギャップエンジニアリングの可能性のある新しい炭素固体相である事を示した。
【６】 ２層グラフェンの電界による電子物性制御
２層グラフェンは面鉛直方向の電界下において有限のバンドギャップを形成する事が知られている。ここでは、外部電力を必要としない、有限ギャップを有する半導体化された２層グラフェン実現の方法を第一原理計算から理論的に予言した。すなわち、２層グラフェンを上面、下面をそれぞれ正のイオン性液体と負のイオン性液体とでサンドイッチすることにより、イオン性液体間の電気的なポテンシャル差を用いる事により２層グラフェンに有限のバンドギャップを誘起する事が可能となる。また、正、負のイオン性液体のイオン種の組み合わせにより、真性半導体、p 型半導体、n 型半導体と半導体のキャリアタイプの制御が可能である事を明らかにした。
4.

教育

卒業論文

99

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

木暮 聖太

フラーレン内包した短いカーボンナノチューブの物性」

曽根 準基

部分的に水素終端されたダイヤモンド構造(111)面における線形分散バンド」

新夕 晴奈

十重付加体フラーレンの電子構造」

集中講義

名古屋大学 理学研究科物質理学専攻(化学系) 化学特別講義 7
5.

受賞、外部資金、知的財産権等受賞
1.

日本物理学会若手奨励賞、小鍋哲、カーボンナノチューブにおける励起子多体効果の理論、2012 年 3 月

2.

MNC25 Young Author’s Award, 小鍋哲、Multiple exciton generation ingraphene nano-ribbon, 2012 年 11 月

外部資金
1.

科学技術振興機構

戦略的創造研究推進事業 CREST「次世代エレクトロニク

スデバイスの創出に資する革新材料・プロセス研究」、岡田晋、代表、2009
年、18,500 千円、計算科学によるグラファイト系材料の基礎物性解明とそのデバイス応用における設計指針の開発

6.

研究業績

(1) 研究論文
1.

Satoru Konabe and Susumu Okada, “Multiple Exciton Generation by A Single Photonin Single-Walled Carbon Nanotubes", Physical Review Letters 108, 227401 (2012).

2.

Takuma Shiga, Satoru Konabe, Junichiro Shiomi, Takahiro Yamamoto, Shigeo
Maruyama, and Susumu Okada,“Graphene-Diamond Hybrid Structure as

Spin-Polarized Conducting Wire with Thermally-Efficient Heat Sinks", Applied
Physics Letters 100, 233101 (2012).
3.

Yoshiteru Takagi and Susumu Okada, “Electronic Structure Modulation of Grapheneby Metal Electrodes", Japanese Journal of Applied Physics 51, 085102 (2012).

4.

Ayaka Yamanaka and Susumu Okada: “Electronic Properties of Carbon Nanotubes
under an Electric Field" Applied Physics Express, 5, 095101 (2012).

100

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

5.

Donghui Guo, Takahiro Kondo, Takahiro Machida, Keigo Iwatake, Susumu Okada,and Junji Nakamura: “Landau levels under zero magnetic field on potassiumintercalated graphite" Nature Communications, 3, 1068 (2012).

6.

Yoshiteru Takagi and Susumu Okada: “Modulation of Electron-states of Graphite
Thin Films by the Nearly Free Electron States of Metal Surfaces" Japanese Journal ofApplied Physics, 51, 100203 (2012).

7.

Satoru Konabe and Susumu Okada: ” Robustness and Fragility of Linear Dispersion
Band of Bilayer Graphene under an Electric Field" Journal of the Physical Society ofJapan, 81, 113702 (2012).

8.

Mina Maruyama and Susumu Okada: “Elemental semiconductors of fused small
fullerenes: Electronic and geometric structures of C28 polymers" Journal of the
Physical Society of Japan, 81, 114719 (2012).

9.

Satoru Konabe, Kazunari Matsuda, and Susumu Okada: “Suppression of
Exciton-Electron Scattering in Doped Single-Walled Carbon Nanotubes" PhysicalReview Letters, 109, 187403 (2012).

10. Soon-Kil Joung,Toshiya Okazaki, Susumu Okada,and Sumio Iijima: “Modest

Response of Metallic Single-Walled Carbon Nano-tubes to C60 Encapsulation Studied
by Resonance Raman Spectroscopy" Journal of Physical Chemistry C 116, 23844－
23850 (2012).
11. Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, and Susumu Okada: “Electron-state engineeringof bilayer graphene by ionic molecules" Applied Physics Letters, 101, 233106 (2012).
12. Masafumi Kubota, Shigenori Hayashi, Mototsugu Ogura, Yuichiro Sasaki, Susumu
Okada, and Kikuo Yamabe: “Effects of Plasma Irradiation in Arsenic Plasma Doping
Using Overhang Test Structures" Japanese Journal of Applied Physics, 52, 021301(2013).
13. Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, and Susumu Okada: “Absence of Edge Statenear the 120 deg Corner of Zigzag Graphene Nanoaribbons" Physical Review B 87,
045424 (2013).
14. Rieko Moriya, Kazuhiro Yanagi, Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, and Susumu
Okada: “Charge Manipulation in Molecules Encapsulated Inside Single-Wall Carbon
Nanotubes" Physical Review Letters 110, 086801 (2013).
101

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(2) 国際学会発表
A) 招待講演B) 一般講演
1.

Susumu Okada, ``Electronic structures of graphene ribbons encapsulated in carbon
nanotube", 13th International Conference on the Science and Application of
Nanotubes (NT12), June 24- 29, 2012, Brisbane.

2.

Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, and Susumu Okada, ``Energetics and electronic
structures of graphene corner edges", 13th International Conference on the Scienceand Application of Nanotubes (NT12),

3.

June 24-29, 2012, Brisbane.

Katsumasa Kamiya and Susumu Okada, ``Energetics and Electronic Structures ofAmino Acid Residues Adsorbed on Carbon Nanotubes", 13th International Conference
on the Science and Application of Nanotubes (NT12), June 24-29, 2012, Brisbane.

4.

Satoru Konaba and Susumu Okada, ``Multiple exciton generation by a single photon insemiconducting single-walled carbon nanotubes", 13th International Conference on the
Science and Application of Nanotubes (NT12), June 24-29, 2012, Brisbane.

5.

Ayaka Yamanaka and Susumu Okada, ``Electronic Properties of Carbon Nanotubes
under the Electric Field",2012 International Conference on Solid State Devices andMaterials (SSDM 2012), 2012 年 9 月 25 日-27 日, 国立京都国際会館, 京都市
6.

Satoru Konabe and Susumu Okada, "Multiple exciton generation in single-walledcarbon nanotubes", 2012 International Conference on Solid State Devices andMaterials (SSDM 2012), 2012 年 9 月 25 日-27 日, 国立京都国際会館, 京都市

7.

Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, and Susumu Okada,"Tuning Semiconducting

Property of Bilayer Graphene by Ionic Molecules", 2012 International Conference on
Solid State Devices and Materials (SSDM 2012), 2012 年 9 月 25 日-27 日, 国立京都国際会館, 京都市
8.

Ayaka Yamanaka and Susumu Okada, ``Electronic Properties of Carbon Nanotubes
under the Electric Field", 25th International Microprocesses and Nanotechnology
Conference (MNC2012), 2012 年 10 月 30 日-11 月 2 日, 神戸メリケンパーク, 神戸市

9.

Mina Maruyama and Susumu Okada, ``New Elemental Semiconductors of Fused
Small Fullerenes", 25th International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC2012),, 2012 年 10 月 30 日-11 月 2 日, 神戸メリケンパーク, 神戸市

10.

Satoru Konabe and Susumu Okada, "Multiple Exciton Generation in Graphene
Nanoribbon", 25th International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC2012), 2012 年 10 月 30 日-11 月 2 日, 神戸メリケンパーク, 神戸市102平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

11.

Satoru Konabe and Susumu Okada, "Electronic Structures of Bilayer Graphene underElectric Field", 25th International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC2012), 2012 年 10 月 30 日-11 月 2 日, 神戸メリケンパーク, 神戸市

12.

Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani, and Susumu Okada, "Edge-orientation ofGraphene Corner: First-principles Calculations", 25th International Microprocesses
and Nanotechnology Conference (MNC2012), 2012 年 10 月 30 日-11 月 2 日, 神戸
メリケンパーク, 神戸市

13.

Nguyen Thanh Cuong, Minoru Otani and Susumu Okada, ``Electron-stateengineering of bilayer graphene by sandwiching ionic molecules", American PhysicalSociety, March Meeting, March 18-22, 2013, Baltimore.

(3) 国内学会・研究会発表
A) 招待講演1.

岡田晋、“グラファイト複合構造体の物性", ニューダイヤモンドフォーラム 平
成２４年度第１回研究会「ナノカーボンの最新研究」, 東京大学, 2012 年 6 月
15 日B) その他の発表
1.

丸山実那, 岡田晋, ``C26 からなる二次元炭素結晶相の構造と電子状態", 第 43 回
フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東北大学, 2012 年 9
月 5 日-7 日

2.

山中綾香, 岡田晋, ``電界下における水素終端カーボンナノチューブの静電ポテ
ンシャル", 第 43 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム,
東北大学, 2012 年 9 月 5 日-7 日

3.

小鍋 哲, 岡田 晋, “単層カーボンナノチューブの多重励起子生成による光電流”, 第 43 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東北大学, 2012 年 9 月 5 日-7 日

4.

小鍋 哲, 岡田 晋, “電界下における二層グラフェンの電子状態”, 第 43 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東北大学, 2012 年 9 月 5
日-7 日

5.

富田 陽子, 岡田 晋, ``トポロジカル欠陥のある六方晶系窒化ホウ素の電子構造", 第 43 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東北大学, 2012 年 9 月 5 日-7 日

6.

Thanh Cuong Nguyen, Minoru Otani, and Susumu Okada, ``Bilayer graphene
sandwiched by ionic molecules: Band-gap and carrier type engineering", 第 43 回 フ103

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東北大学, 2012 年 9
月 5 日-7 日
7.

小鍋哲，松田一成，岡田晋, “キャリアドープした単層カーボンナノチューブにおける励起子位相緩和”, 日本物理学会 2012 年秋季大会, 横浜国立大学, 2012
年 9 月 19 日

8.

丸山実那，
岡田晋, “C28 をユニットとした新しい物質の安定構造と電子状態”, 日
本物理学会 2012 年秋季大会, 横浜国立大学 2012 年 9 月 21 日

9.

山中綾香，岡田晋, “電界下におけるキャップ付きカーボンナノチューブの電子物性”,日本物理学会 2012 年秋季大会, 横浜国立大学, 2012 年 9 月 21 日

10.

小鍋 哲, 岡田 晋, ``2 層グラフェンにおけるクーロンドラッグと励起子絶縁体", 第 44 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東京大学, 2013 年 3 月 11 日-13 日

11. 木暮 聖太, 岡田 晋, ``短い CNT に内包された C60 のエネルギー論と電子構造",
第 44 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東京大学,
2013 年 3 月 11 日-13 日
12. 曽根 準基, 岡田 晋, ``部分的に水素終端されたダイヤモンド構造(111)面における線形分散バンド", 第 44 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東京大学, 2013 年 3 月 11 日-13 日
13. 新タ 晴奈, 岡田 晋, ``十重付加体フラーレンの磁性状態", 第 44 回 フラーレ
ン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東京大学, 2013 年 3 月 11 日
-13 日
14. 山中 綾香, 岡田 晋, ``平行電界によって電荷が蓄積されたキャップ付きカーボ
ンナノチューブの電子物性", 第 44 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン
総合シンポジウム, 東京大学, 2013 年 3 月 11 日-13 日
15. 丸山 実那, 岡田 晋, ``2 次元金属炭素同素体の物性", 第 44 回 フラーレン・ナ
ノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東京大学, 2013 年 3 月 11 日-13 日
16. 岡田 晋, 山本 貴博, ``ラジカルを有するフラーレンのスピン状態", 第 44 回 フ
ラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東京大学, 2013 年 3月 11 日-13 日
17. 丸山実那，岡田晋, “C26 多面体をユニットとする二次元炭素結晶相の安定構造と電子状態”,日本物理学会第 68 回年次大会, 広島大学, 2013 年 3 月 26 日-29 日
18. 新タ晴奈，岡田晋, “十重付加体フラーレンの電子構造”,日本物理学会第 68 回年次大会, 広島大学, 2013 年 3 月 26 日-29 日104平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

19. 近藤剛弘，Donghui Guo，町田考洋，鹿野大志，鈴木哲也，櫻井雅崇，岩竹啓吾，
岡田晋，中村潤児, “グラファイト表面に無磁場下で出現するランダウ準位の起源”, 日本物理学会 第 68 回年次大会、 広島大学、2013 年 3 月 26 日-29 日
20.

山中綾香，岡田晋, “電界下における有限長 zigzag カーボンナノチューブの電子物性”,日本物理学会第 68 回年次大会、 広島大学、2013 年 3 月 26 日-29 日

21.

曽根準基，岡田晋, “部分的に水素終端されたダイヤモンド構造(111)面におけるディラック電子”,日本物理学会第 68 回年次大会、 広島大学、2013 年 3 月 26
日-29 日22.

Nguyen Thanh Cuong，Minoru Otani，and Susumu Okada,``Electron-state control

of multilayer MoS2 by electric field", 日本物理学会 第 68 回年次大会、広島大学、2013 年 3 月 26 日-29 日(4) 著書、解説記事等
1.

日刊工業新聞、“ナノチューブ太陽電池：シリコン上回る計算“、2012 年 5月 30 日2.

日刊工業新聞、“グラフェンの半導体化：シミュレーションで解明“, 2012 年
12 月 3 日

7.

異分野間連携・国際連携・国際活動等

8.

シンポジウム、研究会、スクール等の開催実績

9.

管理・運営

組織運営や支援業務の委員・役員の実績
10. 社会貢献・国際貢献
11. その他

海外長期滞在、フィールドワークなど

III-3. 量子状態制御グループ
1.

メンバー

准教授

仝 暁民, 小泉 裕康

講師

前島 展也

学生

大学院生

教授

日野 健一(学内共同研究員、物質工学域)
105

7名、学類生6名

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

2.

概要

レーザー照射による原子・分子状態の制御、固体における光誘起相転移、超伝導状態の制御から量子ビット操作につながる量子状態の制御等に関する研究を行っている。
原子・分子系では、そのダイナミクス、およびそれらの電磁場との相互作用の理解と制御を時間依存シュレディンガー方程式を時間発展の直接解法で解く方法でシミュレーションを行っている。これは、強レーザー場における原子・分子の非線形過程や反陽子と原子の衝突などにおけるエキゾティック原子の生成、さらに振動磁場などの外場による物理的な過程の制御方法の探索につながる。また、パルスレーザー照射下における半導体(超格子)中の 励起子、コヒーレントフォノン状態の解析、光誘起相転移を起こす系における CW レーザー 誘起状態の解析も行なっている。さらに、巨視的な量子状態を室温で達成すべく、銅酸化 物超伝導の機構解明も行っている。この研究
は、スピン渦超伝導理論の構築に発展し、ス ピン渦誘起ループ電流を 量子ビットとした、量子コンピュータの開発に関する研究と広がっている。

3.

研究成果

【１】強レーザー場中のヘリウム原子におけるアト秒精度での２色光電子過程の研究（仝）
光電離の過程で、物質の特性を調べるのは従来よく使われる手法である。光電離或いは光吸収の能力は物質によって異なるが、弱い外場で光電離過程の制御はできない。近年、
レーザー技術の進歩によって、強レーザー場による光電離過程の制御は可能になってきた。我々は強レーザー場下における原子光電離過程の計算方法を開発した。その計算方法で大規模計算を行い、原子光電離過程に対する有効的な制御方法を探索した。その結果得られたヘリウム原子の光電離と加えたレーザーの強度との関係(図１)を、アリゾナ
大学の実験グループにより得られた実験結果と比較した。その結果、２色光の到着の時間差による、図２のような物質光電離過程をアト秒(10-15 秒)精度での制御ができることが明らかとなった。この研究結果は Physical Review Letters に発表された。
図２：物質光電離確率と２色光の到着の時間差
の依存性。

106

図１．強レーザー場におけるヘリウム光電離断面積と こデータによって、２色光電離の実験概図。

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書【２】中赤外線における原子電離過程の研究（仝）

レーザー技術の進歩により、従来よく使われた800nmの強レーザー以外でも、波長200nmから4000nmの波長の強レーザーが利用できるようになってきた。特に、中赤外線における原子電離過程について、以前800nmの強レーザーで観測されていない様々な現象が報告されており、それらの現象は従来の理論では解釈できなかった。その理由は従来の理論計算法の計算量は波長の4.5乗に比例するので、波長が２倍になると、計算量が１０倍以上となるため従来の手法では計算が極めて困難であったためである。我々は従来の手法で用いられたLength Gaugeの代わりにVelocity Gauge を採用すること
により、GPUクラスタで計算できる新たな計算方法を開発した。この計算方法により、電離した電子の運動量分布と波長の関係（図３）を短波長(200 nm)から長波長（2000 nm）までの領域で系統的計算を実施し、アメリカのコロラド大学のM. Murnane 教授の実験グループによって得られた実験結果と比較研究を行った。その上で、多重散乱の寄与を初めて解明し、この結果はPhysical Review Letters に発表された。

図３：強レーザー場における原子光電子の運動量分布（上：実験、下：理論）【３】スピン渦誘起ループ電流の新たな計算方法の開発 (小泉)107

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

銅酸化物高温超伝導体の機構解明を目指し、強相関電子系に対する新たな電子状態計算の方法を開発している。強相関系では伝導電子の持つスピンの自由度がその電気伝導に強く影響を与えるが、特に、伝導電子のスピンがスピン渦を形成するとき、伝導電子はスピン渦が作る交換相互作用の場の中を運動することになる。このとき、スピン渦の周りを伝導電子が一周すると、伝導電子のスピン基底が一回転し、スピン基底の符号が変わる（符号変換）ということが起きる。伝導電子の波動関数は一価関数であることが必要であるので、伝導電子の波動関数を構築する場合、この符号変換を考慮した計算をすることが必要となる。我々は、スピン渦の巻き数を使った束縛条件を課することにより、符号変換の問題を解決する方法を編み出した。この束縛条件より、ゲージ場が出現し、このゲージ場の`アハロノフ-ボーム効果‘により、超伝導電流が出現することが示された。この機構は従来の BCS 理論と異なる超伝導機構が銅酸化物では起こっていることを意味する。
【４】レーザー場中における半導体超格子の Floquet 状態の解析(日野、前島)
半導体超格子の積層方向に静電場を印加するとワ
ニエ-シュタルク階段 (WSL) という状態が形成されるが、その系にさらに時間周期性を持つ電場を印加すると動的 WSL (DWSL)と呼ばれる状態が実現する。DWSL では matching ratio と呼ばれる
WSL の離散準位の間隔を表すブロッホ周波数Bと駆動レーザー周波数 の比で表される
matching ratio が整数の値をもつとき、駆動する時間周期レーザーの強度に依存してエネル
ギーミニバンドの形成 (動的非局在化) や崩壊(動的局在化) が発現するということが知られている。これらの現象は、これまでヒューストンモデ
ルを用いた擬エネルギーバンド構造の計算によっ

図4 Excess Dos(赤線)と擬エネルギー(緑)。青て説明されてきたが、このモデルは強束縛近似に基はシングルチャンネルにおけるExcess Dos。

づいているため本来 DWSL に内包されている静的ゼナートンネリングやサイト間の動的ゼナ
ートンネリングなどの連続状態効果を考慮していないという性質を持っている。しかし、実際は駆動レーザーの強度が強くなるに従って先に挙げたような連続状態効果が無視できなくなるため、高強度レーザー駆動下における DWSL の取扱いは束縛問題の枠を超える必要性がある。そこで本研究では、半導体 DWSL に駆動レーザー強度に依存しない R 行列フロケ理論を適用させ多チャンネル散乱問題に帰着させることで、あるエネルギーにおける状態の崩壊寿命に対応する物理量である Excess DOS を求め、連続状態効果も考慮に入れた立場から解析を108

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書行った。図 4 はにおける Eccess Dos(赤線)、擬エネルギー(緑線)などの計算結果である。また、数学的操作により Excess DOS をシングルチャンネルに起因する項、多チャンネル非共鳴効果に起因する項、そして多チャンネル共鳴効果に起因する項の和として解析的に書き表すことで Excess DOS における多チャンネル効果に関して明確な議論を行った。結果として、駆動するレーザーに応じて Excess DOS における支配的な物理的寄与が変わることを示し、さらに今回の R 行列フロケ理論が従来のヒューストンモデルにおいて考慮されていた効果も内包しているより統一的な理論であることを示した。

【５】光着衣励起子における動的Fano共鳴（日野、前島）

|1/q|

(eV)

物質中の電子状態に対する、強力な外場によ
8e−05
=0.091eV
る非線形効果は量子ダイナミクスや状態のコ
ヒーレント制御という観点から注目を集めて
6e−05
0.05
きた。例えば時間周期外場のもたらす非線形効果として動的局在(DL)が知られている。こ
4e−05
0.04
のDLがおこるような強い時間周期外場中の電子状態を記述する手法として、フロケ状態
2e−05
0.03
がある。我々は、このフロケ状態で記述され200 F (kV/cm)300
400
ac
る電子と正孔が束縛した光着衣励起子の形成により、半導体超格子の光学応答スペクトルが 図５ ファノ共鳴ピークのスペクトル
どのように影響を受けるかを調べた。得られた 幅と非対称パラメータq。
結果のうちで最も特筆すべき点は、DLが出現するレーザー強度領域を中心にしてファノ共鳴的な非対称ピークが光学応答スペクト
ルに現れることである。このファノ共鳴は強いレーザー外場によって生み出されるAC－ツェナー結合(ZC)によって、励起子状態と連続準位の間に相互作用が発生するためにおこる。またこの相互作用はレーザー外場によって制御可能なため、ファノ共鳴特有の物理パラメータもレーザーによって変化させられることが分かった。その意味で、このファノ共鳴は動的ファノ共鳴と呼ばれるものである。特にDLが起こるレーザー
強度では、スペクトル形状の対称性が回復するとともに、スペクトル幅が最小になる
ことが分かった(図5)。
【６】1次元パイエルス-ハバード模型における光誘起ギャップ内状態の解析（日野、前島）
光誘起相転移は物質に光を照射することで、相転移を起こす現象である。この現象を起こす物質にK-TCNQ などのスピンパイエルス物質がある。
この物質においては、光照射直後に、電荷移動ピークより低いエネルギー領域に過渡的な吸収ピ
109

図６(a) ポーラロン、(b)荷電ソリトン状態

における光学伝導度。

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書ーク (ミッドギャップピーク) が観測されており、光誘起相転移現象を解明する手掛かりとして注目されている。このピークの起源を解析するため、スピンパイエルス物質の理論模型である、一次元拡張パイエルスハバード模型に対する数値的解析を行った。光照射直後の状態としてポーラロン状態およびソリトン状態を仮定し、密度行列
繰り込み群を用いて光学応答関数の計算を行った。その結果、いくつかのミッドギャ
ップ吸収ピークを見出し(図6)、さらにそれらのピークに対応する状態の詳しい解析から、ポーラロン状態、ソリトン状態における格子歪みの中心近傍での電荷励起が原因となっていることが分かった。

4.

教育

修士論文
海老沼

英明

銅酸化物における砂時計型磁気励起スペクトルの起源に関する理論研究根本裕也

動的ワニエ - シュタルク階段における共鳴構造の不安定化と多チャンネル効果

守家康介

１次元スピンパイエルス系における光励起状態の理論的研究

卒業論文
井上

優

二原子分子の電離電子角度依存性における内殻軌道の寄与

金澤

健太

レーザー場により電離した電子運動量分布から原子内部情報を得る方法

岡崎智

外部との電流のやり取りがあるスピン渦誘起ループ電流

大野

文隆

フラクショナルな動的 Wannier-Stark Ladder における Floquet 状態の不安定化

竹中光

2 軌道縮退ハバード模型における光励起状態のスピン・軌道相関飛田賢志

Wannier-Stark ladder における 2 色レーザー駆動カオス散乱の時間周波数解析

渡辺

陽一

超短パルス励起コヒーレントフォノン生成初期過程における過渡的 Fano 共鳴

5.

受賞、外部資金、知的財産権等

外部資金
1. 日本学術振興会科学研究費、基盤研究(C)、仝 暁民（トン ショウミン）、代表、
2012 年, 2990 千円、「赤外線レーザーの付加による原子・分子高速過程の制御の理論研究」
2. 日本学術振興会科学研究費、基盤研究(C)、仝 暁民（トン ショウミン）、分担、
2009 年、150 千円、「散乱方程式直接解法の新展開」
3. 日本学術振興会科学研究費、基盤研究(B)、仝 暁民（トン ショウミン）、分担、
2009 年、100 千円、「自動電離状態における一般化ブライト相互作用効果の研究」
4. 日本学術振興会科学研究費、基盤研究(C)、日野 健一、代表、2011 年、1560 千円、「超短パルス励起半導体における動的ファノ共鳴と過渡的準粒子生成」
5. 日本学術振興会科学研究費、若手研究(B)、前島 展也、代表、2011 年、1040 千円、「光誘起相転移初期過程における超高速ダイナミクスの量子動力学的研究」

110平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

6. 住友財団基礎科学研究助成、前島 展也、代表、2011 年、500 千円、「有機強相関電子系における光誘起テラヘルツ電荷・格子ダイナミクスの生成と制御」
知的財産権

米国特許出願App. No.: 13/095,181, Inventor: Hiroyasu Koizumi, Quantum

Computer,6.

研究業績(1) 研究論文
A) 査読付き論文
1. H. Timmers, N. Shivaram, X. M. Tong, and A. S. Sandhu, “Photoionization dynamics inthe presence of attosecond pulse trains and strong field”, Chem. Phys., 414, 139-148(2013).
2. C. Lemell, J. Burgdöfer, S. Gräfe, K. I. Dimitriou, D. G. Arbó, and X. M.Tong,“Classical-quantum correspondence in atomic ionization by mid-infrared pulses: multiple
peak and interference structures”, Phys. Rev. A 87,013421_1-9 (2013).
3.

Y. J. Jin, X. M. Tong, and N. Toshima, “Anomalous alignment dependence of thethird-order harmonic of H2+ ions in intense laser fields”, Phys. Rev. A 86, 053418_1-5(2012).

4.

D. D. Hickstein, P. Ranitovic, S. Witte, X. M. Tong, Y. Huismans, P. Arpin, X. B. Zhou,
B. S. Zhang, C. Y. Ding, K. E. Keister, P. Johnsson, N. Toshima, M. J. J. Vrakking, M. M.
Murnane and H. C. Kapteyn, “Direct visualization of laser--driven electron
multiple-scattering using velocity-map imaging”, Phys. Rev. Lett. 109, 073004_1-5(2012).

5. N. Shivaram, L. H. Timmers, X. M. Tong, and A. S. Sandhu, “Measurement of theabsolute timing of attosecond XUV bursts with respect to the driving field”, Phys. Rev. A
85, 051802(R)_1-5 (2012).
6. N. Shivaram, H. Timmers, X. M. Tong, and A. S. Sandhu, “Attosecond-Resolved
Evolution of a Laser-Dressed Helium Atom: Interfering Excitation Paths and Quantum
Phases”, Phys. Rev. Lett. 108, 193002_1-5 (2012).
7. H. Koizumi, R. Hidekata, A. Okazaki, M. Tachiki, “Persistent current generation by the
spin-vortex formation in cuprate with the single-valuedness constraint on the conduction
electron wave functions”, to appear in J. Supercond. Nov. Magn.
8. H. Koizumi, “What is the phase variable in superconductors?: theory of superconductivity
based on the spin-vortex formation”, J. Phys. : conf. ser.

428,

12041_1-13 (2013).

9. Y. Nemoto, K. Hino, and N. Maeshima, “Quasienergy resonance in a dynamic
Wannier-Stark ladder”, Phys. Rev. B 87, 205305_1-13 (2013).
10. N. Maeshima, K. Moriya, and K. Hino, “Optical response of polarons and solitons in
one-dimensional Peierls-Hubbard model”, J. Phys. Soc. Jpn. 81, 104708_1-7(2012).
111

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

11. N. Maeshima and K. Hino, “Dynamical Fano resonance of an exciton in laser-driven
semiconductor superlattices”, Phys. Rev. B 85, 205305_1-9(2012).
B) 査読無し論文
1.

S. Sugano, Y. Tanabe, and H. Koizumi. “Historical remarks on the birth of the ligand
field diagram and the adventof laser” , J. Phys. : conf. ser. 428, 12024_1-4 (2013).

(2) 国際会議発表
A)

招待講演

1. Z. Hu, X. Han, Y. Li, D. Kato, X. M. Tong, H. Watanabe, and N. Nakamura, “Angular
Distribution of X-ray Emission in Dielectronic Recombination”, 16th International
Conference on Physics of Highly Charged Ions, September 2-7 2012, Heidelberg,
Germany.
2. S. Sugano, Y. Tanabe, H. Koizumi, “Historical remarks on the birth of the ligand field
diagram and the advent of laser”, XXIst International Symposium on the Jahn-Teller
Effect, August 28, 2012, Tsukuba, Japan.
3. H. Koizumi, “What is the phase variable in superconductors?: theory of superconductivity
based on the spin-vortex formation”, XXIst International Symposium on the Jahn-Teller
Effect, August 31, 2012, Tsukuba, Japan.
B) 一般講演
1. X. M. Tong and N. Toshima, “Protonium formation in low-energy
antiproton-hydrogen-atom collision --A case study in the V-coordinates with the mass
polarization term , International Conference on Many Particle Spectroscopy of Atoms,
Molecules”, Clusters and Surfaces, August 27 -- September 1, 2012, Berlin, Germany.
2. Y. J. Jin, X. M. Tong, and N. Toshima, “Anomalous alignment dependence of thethird order harmonics from H2+ ions in intense laser fields”, International Conference on
Many Particle Spectroscopy of Atoms, Molecules, Clusters and Surfaces, August 27 -September 1, 2012, Berlin, Germany.
3. Ranitovic, W. Petters, A. Spencer, L. Martin, D. Jonas, X. M. Tong, M.
Murnane, and H. Kapteyn, “Ultrafast Dynamics of Ozone Exposed to Ionizing
Radiation”, 43rd Annual Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular andOptical Physics,
June 4-8, 2012, Orange County, California.
4. N.Shivaram, H. Timmers, X. M. Tong, and A. Sandhu, “Quantum Interferences in Helium
ionization in the Presence of Attosecond Pulses and Strong Laser Fields”, 43rd Annual
Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular and Optical Physics, June 4-8, 2012,
Orange County, California.
112平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

5. R. Hidekata and H. Koizumi, “Spin-vortex-induced loop currents in the cuprate; a possible
application to quantum computers”, XXIst International Symposium on the Jahn-Teller
Effect, August 27, 2012, Tsukuba, Japan.
6. Y. Nemoto, N. Maeshima, and K. Hino, “Significance of Decay Mechanism into
Continuum in Dynamical Wannier-Stark Ladder”, ICPS 2012, July 29 - August 3, 2012,
Zurich, Switzerland.
7. N. Maeshima, K. Yamada, and K. Hino, “Laser-induces Fano resonance in semiconductor
superlattice” ICPS 2012, July 29 - August 3, 2012, Zurich, Switzerland.
8. N. Maeshima, K. Yamada, and K. Hino, “Laser-controlled excitonic Fano resonance insemiconductor superlattice”, EXCON2012, Groningen, the Netherlands, July 1 - 6, 2012.
9. K. Moriya, N. Maeshima, and K. Hino, “Dynamical properties of photogenerated polaronsand solitons in one-dimensional dimerized Mott insulators”, EXCON2012, Groningen,the Netherlands, July 1 - 6, 2012.
10. Y. Nemoto, N. Maeshima, and K. Hino, “Destabilization of Dynamic Wannier-Stark
ladder”, EXCON2012, Groningen, the Netherlands, July 1 - 6, 2012.
(3) 国内学会・研究会発表
A)招待講演B)その他の発表
1. 小泉裕康,``スピン渦超伝導理論と BCS 理論の融合：擬ギャップ相理解の為の考察’’,日本物理学会 2012 年秋季大会. 横浜国立大学、2012 年 9 月
2. 海老沼英明、秀方遼、小泉裕康、``スピン渦誘起ループ電流のホール位置最適化’’,
日本物理学会 2012 年秋季大会, 横浜国立大学、2012 年 9 月
3. 小泉裕康, ``スピン渦超伝導理論：波動関数の一価性と超伝導’’, 日本物理学会第68 回年次大会, 広島大学、2013 年 3 月
4. 鈴木紀之、小泉裕康、秀方遼、``スピン渦誘起ループ電流における磁場について’’,
日本物理学会第 68 回年次大会. 広島大学、2013 年 3 月
5. 若浦光、秀方遼、鈴木紀之、小泉裕康, ``スピン渦誘起ループ電流の電流方向の変
換’’、日本物理学会第 68 回年次大会, 広島大学、2013 年 3 月
6. 岡崎智, ``外部からの電流のやりとりがあるスピン渦誘起ループ電流’、日本物理学会第 68 回年次大会, 広島大学、2013 年 3 月
7. 根本裕也，渡辺陽平，前島展也，日野健一，"超短パルス照射半導体におけるコヒーレントフォノン生成のファノ-アンダーソン模型",日本物理学会第 68 回年次大会, 広島大学、2013 年 3 月
113

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

8. 竹中光，前島展也，日野健一，"2 軌道縮退ハバード模型における光励起状態のス
ピン・軌道相関",日本物理学会第 68 回年次大会, 広島大学、2013 年 3 月
9. 守家康介，前島展也，日野健一， "一次元パイエルスハバード模型における光照
射後の時間発展",日本物理学会第 68 回年次大会, 広島大学、2013 年 3 月(6)

著書、解説記事等

7.

異分野間連携・国際連携・国際活動等

1. 計算科学研究センターの先端計算科学推進室の活動に参画し、超並列 GPU 計算機
HA-PACS を用いた光科学の研究を推進した。（仝）2. 国際共同研究(a) アメリカ

コロラド大学 Kapteyn-Murnane 実験グループとの間で中赤外線レーザー

場下における原子電離過程に関する国際共同研究を行った。（仝）(b) アメリカ

アリゾナ大学 A.S. Sandhu 教授の実験グループとの間で強レーザー場

下における原子状態制御に関する国際共同研究を行った。（仝）(c) オーストリア ウィ-ン工科大学 J. Burgdorfer 教授の理論グループとの間で中赤外線レーザー場下における原子電離メカニズムの解明に関する国際共同研究を行った。
（仝）
8.

シンポジウム、研究会、スクール等の開催実績

1. XXIst International Symposium on the Jahn-Teller Effect (August 26-31, 2012,
University of Tsukuba, University Hall, Tsukuba, Japan) 組織委員長（小泉）、プロシー
ディング編集長（小泉）
9.

管理・運営

1. XXIst International Symposium on the Jahn-Teller Effect, 組織委員会委員（小泉）2. International Symposium on the Jahn-Teller Effect Steering Committee 委員（小泉）3. 計算科学研究センター大規模一般利用調整委員（前島）
10. 社会貢献・国際貢献
11. その他

海外長期滞在、フィールドワークなど

114

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

IV 生命科学研究部門
IV-1.生命機能情報分野
1.

メンバー
助教

2.

庄司光男

概要

生命機能情報分野では生体内で重要な働きをしている蛋白質、核酸等に注目し、その特異的機能を理論的に解明することを目的としている。平成２４年度では、光合成酸素発生中
心(PSII-OEC), トレオニン合成酵素(TS)、DNA トポイソメラーゼについて、高精度計算手法(QM/MM)により、その特異的反応機構を生み出す分子メカニズムの解明を行った。また、異常型プリオン蛋白質の立体構造評価研究においては、全原子分子動力学法(MD)により構
成アミノ酸特有の特徴（ケミカルトレンド）を明らかにした。これらの研究には膨大な計算を高速に実行する必要がある為、並列化効率の向上に取り組みながらスーパーコンピュータ(T2K-Tsukuba,HA-PACS)を活用した。さらなる高速化と次世代計算機環境への展開として、GPU による QM 計算の高速化を行った。宇宙生命分野においてはＬ型アミノ酸生成
過程と系外惑星のバイオマーカーについての理論的研究を行った。
3.

研究成果[1] 光合成酸素発生中心(PSII-OEC)の電子状態についての理論的研究（庄司）光合成は光エネルギーを化学エネルギーに変換するシステムであり、個々の現象は秒ス
ケールの現象であるが、分子進化や多様性まで考慮すれば、極めて長い時間空間スケール
での、極めて複雑かつ重要なシステムである。光合成は蛋白質複合体の集合体で構成されており、各複合体は光捕集、電子伝達、ATP 生成と糖生成（酸素固定反応）の働きを担っている。電子伝達系における重要な化学反応として光合成システム II における酸素発生中
心(PSII-OEC)があり、水の分解反応を行っている。
2H2O + 4hv –> 4H+ + 4e— + O2
この反応は電子を水から引き抜いていることから分かるように、極めて難しい化学反応である。実際、すべての人工触媒において PSII-OEC よりも高い触媒効率と耐性を持つものは未だ存在していない。2011 年に沈教授（岡大）、神谷教授（大阪市大）により原子分解能(1.9Å)の X 線構造解析がなされ、初めて活性中心構造とその周りの水分子の位置が明らかになった。活性中心は CaMn4O5 クラスターが歪んだ椅子型構造を取っていた。しかしながらその構造は以前に報告されていた構造とは大きく異なっていたため、多くのグループによりその構造妥当性が検討された。我々は OEC の構造妥当性を検証するため、量子古典混
合法(QM/MM)法を用いて、精密に理論的検討を行った。特にプロトン位置は X 線では決定できないが、プロトン化によって OEC の電子状態や構造が大きく変化するため、すべての115

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

可能な電荷・スピン・プロトン化状態を求め、PSII-OEC の構造特性について明らかにした。

図 1. 光合成システム II(左図)と水分解サイト(右図)【2】トレオニン合成酵素の特異的反応機構の理論的解明（庄司）
生体酵素における反応機構と反応制御機構（副反応の抑制機構）は、化学合成における究極のテーマといっても過言でないほど重要である。トレオニン合成酵素(TS)はトレオニン生合成の最終ステップである O-phospho-L-homoserine(OPLH)から L-トレオニンを生成する段階を触媒しており、いくつもの副生成物(α-ケトブチラート、ケトン)の生成を制御している。しかしながら未だＴＳの反応制御機構は明らかにされておらず、その本質の解明のためには基質・酵素複合体で各反応経路における構造変化とエネルギープロファイルを明らかにすることが不可欠である。そこで、我々は TS の反応特異性に関わる反応過程に対して高精度理論解析（QM/MM 計算）を行い、反応制御機構の解明を試みた。プロトン化状
態と活性中心における水の存在を調べ、可能な反応経路を網羅的に探索した。その結果、
自由エネルギーが実験値と 3kcal 以内で一致し、中間体の UV スペクトル形状も完全に実験と一致した。これにより、反応制御因子を明らかにするとともに各中間体の構造特性も初めて明らかにした。

図２. トレオニン合成酵素の QM/MM モデル: (左)全系, (右)QM 領域【3】DNA トポイソメラーゼ II における DNA 再結合反応の理論的解明（花岡恭平）
DNA トポイソメラーゼ II（topoII）は DNA の切断と再結合を行い、非常に長い DNA の構
造的ストレスを緩和している。この反応では、DNA と酵素の共有結合中間体が生成し、細胞にとって危険な状態が一時的に生じる。通常この中間体は再結合反応によって速やかに解消されるが、いくつかの重要な抗生物質や抗がん剤は再結合反応を阻害することで共有結

116

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

合中間体を蓄積させ、癌細胞や細菌を死滅させる。したがって DNA トポイソメラーゼの再結合過程の解明は新たな抗がん剤や抗生物質をデザインする上でも非常に重要である。本
研究では量子古典混合法(QM/MM)により topoII の DNA 再結合反応機構を解明する事を試みた。反応は DNA 3’O の脱プロトン化から始まり、このプロトンは切断された DNA の間を移動し、さらに周囲の水、アルギニン残基を経由して、DNA から解離したタイロシン残基に移るという多段階プロトン移動経路(substrate-mediated proton transfer: SMPR)を持つ事を明らかにした。経由するアミノ酸残基はアルギニンだけであるが、これはアルギニンの変異により再結合反応が阻害され細胞が死滅するという実験と一致している。そのため、本結果は上記のプロトン移動経路を阻害することで新しい抗がん剤や抗生物質がデザインできることを示唆している。
DNA1
DNA-1

MgA
MgB
Tyr782

図３. DNA-topoII の全体構造と活性中心構造【4】系外惑星における生命指標検出に向けた理論的検討（田口真彦）
近年、太陽系外惑星の数は大きく追加されており、ハビタブルゾーン内に入る惑星の観測にも成功し、地球に類似した惑星の発見が期待されている。それに伴い、惑星のスペク
トルから生命の痕跡（バイオマーカー）をいかに検出するかについても非常に注目がなされている。バイオマーカーには様々な指標が提案されているが、その中でも rededge がある。これは、植物の反射スペクトル由来し、700-750nm 付近の近赤外領域に見られる特徴
的な急勾配である。この勾配の由来は様々なスケールでの要因が関わっているが、主要な要因としては光合成色素の１つであるクロロフィルの吸収スペクトルである。
系外惑星における生命指標の可変性を明らかにするためには、地球における red edge 相
当のスペクトルの環境依存性を明らかにすることが極めて重要と考えられる。特にクロロ
フィルの吸収スペクトルがタンパク質環境やアミノ酸配位子によりどの程度可変性があるのかについて高精度計算法（QM/MM 法）により理論的に評価した。その結果、タンパク質環
境は約+9nm シフトさせており、アミノ酸の配位により約+13nm シフトさせている事を明らかにした。これらの結果をもとに、系外惑星における植物の光吸収について考察した。
【5】異常型プリオン蛋白質の構造安定性評価（近藤大生）

プリオンとは哺乳類で発見されたタンパク質性の感染因子のことである。正常な立体構117

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

造とは異なる立体構造のタンパク質(プリオン)が、正常型タンパク質を次々と異常型に転換、凝集していくことで、アミロイド線維と呼ばれる線維構造を形成する。これらは哺乳類ではアルツハイマー病やパーキンソン病のような神経疾患を引き起こすことが知られている（ポリグルタミン、ポリアスパラギン、酵母プリオン Sup35 等）。これらのタンパク質の立体構造は未だに決定されていない。しかし、X 線回折や末端残基の微結晶構造から、β-helix モデルと in-register モデルの２つの主要な構造モデルが提案されている。また、プリオン蛋白質はグルタミン(Q)やアスパラギン(N)を組成として多く持つ事が分かっている。そこで、グルタミン組成を仮定し、β-helix と in-register モデルを構築し、全原子分子動力学計算(MD)法を用いて、1μs–MD を行う事で自由エネルギーを算出し、正確な構造
安定化機構を明らかにすることを試みた。β-helix モデルは一巻き 20 個のアミノ酸を有し、ピッチが約 4.7 Åのヘリックス構造をしており、ヘリックス内部に水が存在した。一方、
in-register モデルは、２つのβシートが合い向かい合い、非常に密にかみ合うことでシート間の水を排除していた。共に安定な構造であり、自由エネルギー差は数 kcal のオーダーとなった。β-helix モデルではグルタミン側鎖は親水的な役割をしており、in-registerモデルでは疎水的役割で構造安定化に寄与している事を明らかにした。
【6】GPGPU による量子化学計算法の高速化（梅田）生命科学研究分野では、より短期間での問題解明やよりリアリステックなシミュレーシ
ョンのために、計算のさらなる高速化と大規模化対応が欠かせない。一方、近年の計算機環境は目覚ましく発展しており、CPU 単体の演算性能向上は見込めない段階に達し、超並列やヘテロ並列計算による高速化が必須となる時代になってきている。中でも、GPU を用いるヘテロ計算機は消費電力や計算機コストの点でメリットが非常に大きい。そのため我々
は QM/MM 計算を GPU 環境で行う事で、新たな生命科学研究領域を開拓することを試みている。
QM/MM 計算においてボトルネックは QM(量子力学) 計算であり、その中でも二電子積分ルーチンが最も重い。パッケージに組み込まれている CPU 二電子積分コードは非常に煩雑であり、GPU 対応させることは非常に難しい。そこで、改良が行いやすい OpenFMO において二電子積分ルーチンを GPU 対応させた。その結果、GPU 利用により最大 CPU1Core に対して最大 22 倍の演算加速性能を得られるようになった。本研究は梅田宏明が主に研究を進め、朴泰介、塙敏博、庄司光男の協同研究体制でなされた。
4.

教育
学生の指導状況

1. 近藤大生、Q/N に富んだペプチドがつくるアミロイド線維の構造安定化機構の計算科学的解
析、修士論文。

118

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

2. 田口真彦、Theoretical study on the absorption spectrum of light-harvesting antenna inphotosynthesis based on time-dependent density functional theory and its application
for the detection of biomarker in extrasolar planets、修士論文。
3. 氏家謙、分子動力学法によるトレオニンシンターゼの基質結合自由エネルギー計算、卒研発
表。
4. 田中弥、高度好熱菌ウリジンシチジンキナーゼ(ttCK)の特異的基質認識機構の理論的解明、
卒研発表。

5.

受賞、外部資金、知的財産権等受賞（賞の名称、受賞者名、タイトル、年月日）
外部資金（名称、氏名、代表・分担の別、採択年度、金額、課題名）
知的財産権（種別、氏名、課題名、年月日）<外部資金>(ア)

科研費、若手研究 B、研究代表者:庄司光男、生体酵素における反応機構と反応制御機

構解明のための理論的研究、2012-2013.
2. 科研費、特別推進、研究代表：沈建仁、光合成系ＩＩにおける水分解反応の学理解
明、2012-2017、 研究分担：庄司光男.

6.

研究業績

(5) 研究論文
A) 査読付き論文
1. M.Shoji, K.Hanaoka, D.Kondo, A.Sato, H.Umeda, K.Kamiya, K.Shiraishi, A QM/MM study ofnitric oxide reductase-catalyzed N2O formation, Molecular Physics, accepted 2013.
2. K.Yamaguchi, M.Shoji, H.Isobe, Y.Kitagawa, S.Yamada, T.Kawakami, S.Yamanaka, M.Okumura,
Theory of chemical bonds in metalloenzymes XVI. Oxygen activation by high-valenttransition metal ions in native and artificial systems, Polyhedron, In Press.
3. M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen and K.
Yamaguchi, Theoretical insight in to hydrogen-bonding networks and proton wire for
the CaMn4O5 cluster of photosystem II. Elongation of Mn-Mn distances with hydrogen bonds,
Catal. Sci. Technol., 3, 1831(2013)
4. K. Yamaguchi, Y. Kitagawa, H. Isobe, M. Shoji, S. Yamanaka, M. Okumura, Theory ofchemical bonds in metalloenzymes XVIII. Importance of mixed-valence configurationsfor Mn5O5, CaMn4O5 and Ca2Mn3O5 clusters revealed by UB3LYP computations. A bio-inspired
strategy for artificial photosynthesis, Polyhedron, 57, 138(2013).

119平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

5. K. Yamaguchi, S. Yamanaka, H. Isobe, T. Saito, K. Kanda, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R.
Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, M. Shoji and Y. Yoshioka,The nature ofchemical bonds of the CaMn4O5 cluster in oxygen evolving complex of photosystem II:
Jahn-Teller distortion and its suppression by Ca doping in cubane structures, Int.
J. Quantum Chem., 113, 453(2013).
6. K. Yamaguchi, H. Isobe, S. Yamanaka, T. Saito, K. Kanda, M. Shoji, Y. Umena, K. Kawakami,
J.-R. Shen, N. Kamiya and M. Okumura, Full geometry optimizations of the mixed-valence
CaMn4O4X(H2O)4 (X=OH or O) cluster in OEC of PS II: Degree of symmetry breaking of thelabile Mn-X-Mn bond revealed by several hybrid DFT calculations, Int. J. Quantum
Chem.,113, 525 (2012).
7. T. Saito, S. Yamanaka, K. Kanda, H. Isobe, Y. Takano, Y. Shigeta, Y. Umena, K. Kawakami,
J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, M. Shoji, Y. Yoshioka and K. Yamaguchi, Possible
mechanisms of water splitting reaction based on proton and electron release pathways
revealed for CaMn4O5 cluster of PSII refined to 1.9 Å X-ray resolution,Int. J. Quantum
Chem.,112, 253(2012).
8. H. Isobe, M. Shoji, S. Yamanaka, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen and K.
Yamaguchi, Theoretical illumination of water-inserted structures of the CaMn4O5
cluster in the S2 and S3 states of oxygen-evolving complex of photosystem II: fullgeometry optimizations by B3LYP hybrid density functional Dalton Trans., 41,13727(2012).

B) 査読無し論文(6) 国際会議発表
A) 招待講演
1. ○M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, N. Kamiya, J.-R. Shen, K. Yamaguchi, A QM/MM
study on the S2 spin state of the oxygen-evolving complex, 第５回 OCARINA
シンポジウム, 大阪市立大学, 2013/3/5, oral.

B) 一般講演
1. ○M.Shoji, K.Hanaoka, D.Kondo, H.Umeda, K.Kamiya, K.Shiraishi, A QM/MM studyof nitric oxide reductase-catalyzed N2O formation, Sanibel Symposium, Florida,
2013/2/17-22, poster.
2. ○M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, K. Yamaguchi, J.-R. Shen, Ground spin state of theoxygen-evolving complex at the S2 state, Structure and Dynamics of Photosynthetic
Systems, Okayama, 2012/10/22, poster.

120平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

3. ○K. Hanaoka, M. Shoji, D. Kondo, A. Sato, M.-Y. Yang, K. Kamiya, K. Shiraishi,
QM/MM simulation revealed a substrate mediated proton relay mechanism in DNA
religation reaction catalyzed by Type II DNA topoisomerase, CCP2012, Kobe,
2012/10/13, poster.
4. ○M. Shoji, K. Hanaoka, D. Kondo, H. Umeda, K. Kamiya, Y. Kitagawa, K. Shiraishi,
QM/MM study on the catalytic mechanism of nitrix oxide reductase, 2012
International Congress of Quantum Chemistry (ICQC2012), June 25 - 30, 2012,
Boulder, Colorado, poster.

(7) 国内学会・研究会発表
A) 招待講演B) その他の発表
1. ○庄司光男、花岡恭平、氏家謙、田中弥、栢沼愛、梅田宏明、町田康博、村川武志、林秀行、
トレオニン合成酵素におけるリン酸脱離以降の反応経路についての理論的検証、日本農芸化学会、東北大学、2013/03/26, 口頭。
2. ○田口真彦、小松勇、佐藤皓允、蘇垠成、庄司光男、栢沼愛、神谷克政、梅村雅之、矢花一
浩、白石賢二、光化学系 II アンテナ部の光捕集機構についての量子化学的研究、第９３回
日本化学会春季年会, 立命館大学, 2013/3/22, 3G3-06(口頭)。
3. ○栢沼愛、花岡恭平、近藤大生、田口真彦、庄司光男、ニトリルヒドラターゼの触媒機構に関する理論的研究、第９３回日本化学会春季年会, 立命館大学, 2013/3/22, ポスター.
4. ○庄司光男、磯部寛、山中秀介、山口兆、沈建仁、QM/MM 法による光合成酸素発生中心のＳ２中間体の電子状態についての理論的研究、第９３回日本化学会春季年会, 立命館大学,
2013/3/22, 1PA-098(ポスター).
5. ○田口真彦、小松勇、佐藤皓允、蘇垠成、庄司光男、栢沼愛、神谷克政梅村雅之、矢花一浩、
白 石賢二, 生命指標となりうる光合成の光吸収スペクトル帰属についての理論的研究、２
０１３年日本天文学会春季年会, 埼玉大学, 2013/3/20, P53b(ポスター)。
6. ○小松勇, 梅村雅之, 庄司光男, 矢花一浩, 白石賢二, 神谷克政, 栢沼愛, 田口真彦, 佐藤
皓允, 蘇垠成、系外惑星バイオマーカー検出を目指した光合成機構のエネルギー移動計算、
２０１３年日本天文学会春季年会, 埼玉大学, 2013/3/20, P74a(口頭)。
7. ○田口真彦, 小松勇, 佐藤皓允, 蘇垠成, 庄司光男, 栢沼愛, 神谷克政, 梅村雅之, 矢花一
浩, 白石賢二、時間依存密度汎関数法に基づく光合成アンテナ部の吸収スペクトルの研究とそれを用いた系外惑星における生命指標検出に向けての検討, Supercomputer workshop
2013, 分子科学研究所 2013/1/22-23.
8. ○花岡恭平、庄司光男、近藤大生、田口真彦、神谷克政、白石賢二、QM/MM 法を用いた II 型
DNA トポイソメラーゼによる DNA 再結合反応の解明, Supercomputer workshop 2013, 分子

121

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

科学研究所, 2013/1/22-23.
9. ○近藤大生、花岡恭平、田口真彦、神谷克政、庄司光男、河合繁子、田口英樹、白石賢二、Gln や Asn を多く含むミスフォールドしたタンパク質の構造安定化機構に関する理論的研究,
Supercomputer workshop 2013, 分子科学研究所, 2013/1/22-23。
10. ○庄司光男、花岡恭平、近藤大生、梅田宏明、神谷克政、白石賢二、一酸化窒素還元酵素における N2O 生成機構についての理論的研究, Supercomputer workshop 2013, 分子科学研究所, 2013/1/22-23.
11. ○田口真彦、小松勇、佐藤皓允、蘇垠成、庄司光男、栢沼愛、神谷克政、梅村雅之、矢花一
浩、白石賢二、光合成光捕集複合体 II における光励起状態についての理論的研究、第 85 回
日本生化学会大会@福岡国際会議場, 2012/12/16, ポスター。
12. ○花岡恭平, 庄司光男, 近藤大生, 田口真彦, 栢沼愛, 神谷克政, 白石賢二、アゴニスト結合型ビタミン D 受容体の溶液中のダイナミクスと活性制御機構、第 85 回日本生化学会大会@
福岡国際会議場, 2012/12/16, ポスター。
13. ○近藤大生, 花岡恭平, 田口真彦, 神谷克政, 庄司光男, 河合（野間）繁子, 田口英樹, 白
石賢二、Ｑ/Ｎに富んだペプチドがつくるアミロイド線維の構造安定化機構の理論的解析、第 85 回日本生化学会大会@福岡国際会議場, 2012/12/16, ポスター。
14. ○庄司光男, 花岡恭平, 近藤大生, 田口真彦, 栢沼愛, 梅田宏明, 鴨志田良和, 神谷克政,
白石賢二, 村川武志, 林秀行,トレオニン合成酵素におけるリン酸脱離以降の反応機構についての理論的解明、第 85 回日本生化学会大会@福岡国際会議場, 2012/12/16, ポスター。
15. ○花岡恭平, 庄司光男, 近藤大生, 田口真彦, 栢沼愛, 神谷克政, 白石賢二,アゴニスト結合型ビタミン D 受容体のマイナーコンフォメーション、第 35 回日本分子生物学会年会＠福岡国際会議場、2012/12/11, ポスター。
16. ○田口真彦, 小松勇, 佐藤皓允, 蘇垠成, 庄司光男, 栢沼愛, 神谷克政, 梅村雅之, 矢花
一浩, 白石賢二、光合成光化学系 II におけるアンテナ部の光捕集機構についての理論的研究、第 35 回日本分子生物学会年会＠福岡国際会議場、2012/12/11, ポスター。
17. ○庄司光男、花岡恭平、近藤大生、梅田宏明、神谷克政、白石賢二, 一酸化窒素還元酵素における N2O 生成機構についての理論的研究、第３回協定講座シンポジウム@神戸大学統合研
究拠点、2012/11/29, ポスター。
18. ○花岡恭平、庄司光男、近藤大生、ヤンムンヨン、神谷克政、白石賢二, QM/MM 法による II型 DNA トポイソメラーゼの DNA 再結合反応の解明、第３回協定講座シンポジウム@神戸大学
統合研究拠点、2012/11/29, ポスター。
19. ○近藤大生、花岡恭平、田口真彦、神谷克政、庄司光男、河合繁子、田口英樹、白石賢二、
Q/N に富んだペプチドがつくるアミロイド線維の構造安定化機構の計算科学的解析、第３回
協定講座シンポジウム@神戸大学統合研究拠点、2012/11/29, ポスター。
20. ○田口真彦、小松勇、佐藤皓允、蘇垠成、庄司光男、栢沼愛、神谷克政、梅村雅之、矢花一122

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

浩、白石賢二,光合成アンテナ部の光捕集機構についての理論的研究とそれを用いた系外惑星における生命指標検出に向けての検討、第３回協定講座シンポジウム@神戸大学統合研究
拠点、2012/11/29, ポスター。
21. ○田口真彦、小松勇、佐藤皓允、蘇垠成、庄司光男、栢沼愛、神谷克政、梅村雅之、矢花一
浩、白石賢二,系外惑星における生命指標としての光合成色素についての理論的研究、第 5回アストロバイオロジーワークショップ, 2012/11/23,24, 口頭。
22. ○小松勇, 梅村雅之, 庄司光男, 矢花一浩, 白石賢二, 神谷克政, 栢沼愛, 田口真彦, 佐藤皓允, 蘇垠成,系外惑星のバイオマーカー検出に向けた光合成アンテナ機構の励起状態計
算、第 5 回アストロバイオロジーワークショップ, 2012/11/23,24, 口頭。
23. ○M. Shoji, K. Hanaoka, D. Kondo, H. Umeda, M. Kayanuma, K. Kamiya, K. Shiraishi, S.
Nakano, K. Katayanagi, QM/MM 法による同化型亜硝酸還 元酵素の反応機構についての理論的研究, 第 50 回日本生物物理学会年会、名大, 2012/9/22。
24. ○花岡恭平・近藤大生・庄司光男・梁文榮・神谷克政・白石賢二 II 型 DNA トポイソメラーセによる DNA 再結合反応に対する基質を介するプロトンリレー機構、第 6 回バイオ関連
化学合同シンポジウム, 北大, 2012/9/6, ポスター。
25. ○花岡恭平、近藤大生、庄司光男、梁文榮、神谷克政、白石賢二、酵母 DNA トポイソメラー
ゼ II における DNA 再結合反応の理論的解明、第 12 回日本蛋白質科学会年会、名古屋国際会議場、2012/6/20, ポスター。
26. ○庄司光男、花岡恭平、近藤大生、梁 文榮、梅田宏明、神谷克政、白石賢二、一酸化窒素
還元酵素(NOR)における N2O 生成酵素についての理論的研究、第 12 回日本蛋白質科学会年会、名古屋国際会議場、2012/6/20, ポスター。
27. ○佐藤皓允、庄司光男、神谷克政、梅村雅之、矢花一浩、白石賢二、Theoretical Investigationof a Mechanism of Chirality Induction for Amino Acids in the Early Solar System, 日
本地球惑星科学連合大会, 2012/5/24,口頭.

<その他(発表等)>
1. 花岡恭平, Q/N に富んだペプチドがつくるアミロイド線維の安定化機構の理論的解析,つくば
ソフトマター研究会 2013, 2013/3/11。
2. 田口真彦,光合成アンテナ部の吸収スペクトルの理論的研究とそれを用いた系外惑星における生命指標検出に向けての検討、つくばソフトマター研究会 2013, 2013/3/11。
3. 庄司光男, 生体酵素反応の理論的解明、つくばソフトマター研究会 2013, 2013/3/11。
4. Mitsuo Shoji, Computational Bioscience with Supercomputers 、阪大タンパク研、セミナ
ー, 2013/3/7(招待) 。
5. 佐藤皓允、第 7 回夏の学校 宇宙ライフサイエンス若手の会、2012/8/25, ポスター発表。
6. 庄司光男、トレオニン合成酵素における反応制御機構の理論的解明, 第 4 回拠点シンポジウ

123平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ム＠秋葉原、2012/7/12。

(8) 著書、解説記事等
7.

異分野間連携・国際連携・国際活動等

8.

シンポジウム、研究会、スクール等の開催実績

9.

管理・運営

組織運営や支援業務の委員・役員の実績
10. 社会貢献・国際貢献
1. Mitsuo Shoji, Computational Bioscience Utilizing Supercomputers: Performance andApplications, INc8 での CCS-Tsukuba の紹介、CCS-Tsukuba, 2012/5/11。
2. 庄司光男、花岡恭平、第 2 回つくば科学研究コンテスト、審査員、2013/3/20。
3. 庄司光男、将来展望ワークショップ@大阪大学、2012/10/20。
4. 庄司光男、CCS 見学会(富山県立富山南高等学校) 2012/10/17。

11. その他
海外長期滞在、フィールドワークなど

124

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

IV-2. 分子進化分野
1.

メンバー

准教授

稲垣祐司

（生命環境系）教授

橋本哲男（共同研究員・生命環境系）

特任助教
2.

神川龍馬

（生命環境科学研究科）

概要

分子進化分野では、真核生物の主要グループ間の系統関係解明に向け、主に３つの「柱」を設定し研究を進めている。
【１】新奇真核微生物の発見

真核生物の多様性の大部分は肉眼で認識することが難しい単細胞生物であるため、これまでの研究では真核生物多様性の全体像を十分に把握しているとは言い切れない。そこで自然環境からこれまでに認識されていない新奇真核微生物を単離・培養株化する。
【２】大規模配列データ解析

真核生物の主要グループ間の系統関係を分子系統学的に解明するには、大規模遺伝子データが必須である。そこで系統進化的に興味深い生物種を選び、培養と遺伝子データの取得を進めている。そのデータを基に、大規模配列データ解析を行い正確な真核生物系統の推測を目指す。
【３】分子系統解析の方法論研究

分子系統解析においては、解析する配列データの特長、使用する解析法・配列進化モデルなどにより、系統推定に偏りが生じることが知られている。これまでの方法論は単一遺伝子データに基づいて研究されてきたが、複数遺伝子から構成される大規模配列データを解析するための方法論の検討はそれほど進んでいない。また、現状では超並列計算機上で効率よく作動する解析プログラムも十分に普及しているとは言えない。そこで、大規模配列データ解析においてより偏りの少ない推測を目指し、方法論的研究と系統解析プログラムの系列化を行っている。
3.

研究成果

【１】大規模配列データ解析（１）クリプト藻類に近縁な真核微生物種の解析
H24 年度までにパラオ共和国の海水サンプルから単離した新奇従属栄養性真核微生物

Palpitomonas bilix お よ び カ タ ブ レ フ ァ リ ス 類 Roombia sp. の 網 羅 的 発 現 遺 伝 子（expressed sequence tag/EST）データを取得した。これら 2 種からの EST データを元に159 遺伝子を含むアライメントデータを作成し、最尤法をもちいた系統解析を行うことでPalpitomonas の系統的位置の解明を試みた。
ゴニオモナス類、図 1 に示した 159 遺伝子系統解析では、Palpitomonas はクリプト藻類、カタブレファリス類と単系統となり、そのブートストラップ法によるサポート値は 90%以125

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書上となった。
このグループ内でまず Palpitomonas（ハプト藻類）★

が分岐し、ついでカタブレファリス類が（テロネマ類）

分岐した後、クリプト藻類とゴニオモナ★（緑色植物類）

ス類が分岐したと推測された。我々はこの生物群を“クリプチスタ生物群”と呼ぶことを提唱する。
興味深いことに、159 遺伝子解析では★（紅藻類）

クリプチスタ生物群は、解像度はないも★（灰色藻類）のの光合成を行うハプト藻類、緑色植物
類、灰色藻類と近縁である可能性が示唆されている〔図 1〕。従って、クリプチス
タ生物群の共通祖先は光合成性であり、Palpitomonas、ゴニオモナス類、カタブ
レファリス類は二次的に光合成能力を失った可能性がある。この可能性を検証するため、Palpitomonas、Goniomonas
sp.、Roombia sp.の EST データ内に葉緑体関連遺伝子転写産物を探索した。本解析ではとくにイソプレノイド合成系
について着目した。一般に光合成真核生物は、葉緑体に局在する非メバロン産（MEP）経路でイソプレノイドを合成す
図 1：159 遺伝子データに基づく最尤系統樹．赤くシェ る。これまでの研究で 2 次的に光合成能ードをかけたクレードは“クリプチスタ生物群”である。
光合成性生物群には星印を付けた。
力を失った生物種（例えばパーキンサス類）でも、MEP 経路を構成する遺伝子を保持していることが分かっている。しかしPalpitomonas、Goniomonas sp.、Roombia sp.の EST データ内には MEP 経路関連遺伝子
転写物は発見できず、本解析では 2 次的に光合成能力を失ったかどうか判断することはできなかった。
図 2：クリプト藻（左上）、ゴニオモナス類（右上）およびカタブレファリス類（左下）の射出装置とクリプチス
タ生物群における射出装置の進化（右下）．光学得顕微鏡
写真は矢吹彬憲博士から提供された．クリプト藻射出装
置の電子顕微鏡写真（左上）は Hausmann（Int Rev Cytol
1948 52:197-276）より、ゴニオモナス類射出装置の電子
顕 微 鏡 写 真 （ 右 上 ） は Mignot （ J Microscopie 1965126

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

4:239-252）より、カタブレファリス類射出装置の電子顕
微 鏡 写 真 （ 左 下 ） は Lee & Kugrens （ J Phycol 1991
27:505-513 ） お よ び Okamoto & Inouye （ Protist 2005
156:163-179）より抜粋した．

これまでの顕微鏡観察からクリプト藻類、ゴニオモナス類、カタブレファリス類は、電子顕微鏡観察によると「トイレットペーパー状」に見える射出装置（ejectosomes）をもつことが分かっている〔図 2、左上、左下、右上参照〕。クリプト藻ではその構成タンパクをコードする tri 遺伝子群が同定されている（Yamgishi et al. J Mol Evol 2012 74:147-157）。
興味深いことに tri 遺伝子転写物が Goniomonas sp.および Roombia sp.の EST データ中に発見された。一方 Palpitomonas 細胞には射出装置はなく、EST データにも tri 遺伝子転写物は検出されなかった。
射出装置の有無を、159 遺伝子系統解析から推測されたクリプチスタ生物群の分岐順にあてはめると、Palpitomonas が分岐した後、クリプト藻類、ゴニオモナス類、カタブレファリ
ス類の共通祖先が射出装置を獲得したと解釈できる〔図 2、右下の模式図参照〕。

Palpitomonas・Roombia 等クリプチスタ生物群に含まれる従属栄養性真核微生物に関する研究は、科学研究費補助金基盤研究（B）「ハプト・クリプト藻類を含む新奇巨大生物群の提唱とクロムアルベオラータ仮説の検証」（代表・稲垣；課題番号 21370031）の支援をうけた。
（２）新奇真核生物種 Tsukubamonas globosa の解析
筑 波大 学構内 の兵 太郎池 から 単離さ れた 新奇従 属栄 養性真 核微 生物 Tsukubamonas

globosa は、エクスカバータ生物群のディスコバ生物群と呼ばれるグループに含まれる。
我々は H23 年度までに Tsukubamonas の EST 解析を行い、そのデータを元に 157 遺伝子
データを作成し大規模系統解析を行った。157 遺伝子データにもとづく最尤法による分子系統解析では、Tsukubamonas を含むディスコバ生物群が単系統となり、この関係はブートストラ
ップ値 92%で支持された。またこのクレード中で、Tsukubamonas はこれまで知られている既知のディスコバグループに属することはなかったが、ヘテロロボサ類〔図 3 では Naegleria〕とユーグレノゾア類〔図 3 では Diplonema と Euglena〕の基部から分岐し、その系統関係はブートストラップ値 99%で支持された。従って今回の 157 遺伝子アライメントの系統解析により、Tsukubamonas は、①ディスコバ生物群の独立した新奇系統群であること、②ヘテロロボサ類＋ユーグレノゾア類と姉妹群であると推測された。

127

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 3：
157 遺伝子アラ
イメントから最尤法により推測された真核生物の系統関係

ディスコバ生物群のうちヤコバ類のミトコ
ンドリア（mt）ゲノムは、一般の真核生物
mt にくらべより多くの遺伝子をコードしていることから原始的であるとも考えられ、mt
ゲノムと真核生物の初期進化を考察する上で極めて重要である。我々は Tsukubamonasの mt ゲノムを完全解読に成功したが〔図 4〕、
157 遺伝子データに基づく大規模分子系統解析から解明されたディスコバ生物群の系統関係をもとに、この生物群において mt ゲノムコード
図 4：Tsukubamonas globosa ミトコンドリアゲノム

遺伝子がどのように変化したのかを解明することに成功した。

（３）フォルニカータ生物群に属する嫌気性真核微生物種の解析
フォルニカータ生物群は嫌気性あるいは微好気性真核生物から構成され、病原性真核微生物 Giardia intestinalis に代表されるディプロモナス類と自由生活性の「カルペディエモナ
ス様生物（Carpediemonas-like organisms or CLOs）」が含まれる。病原性微生物として研究されてきた Giardia は、嫌気環境へ適応する過程で好気性 mt を機能不明の mt 由来オル
ガネラ・マイトソームへと改変したことが分かっている。しかし、ディプロモナス類のマ
イトソームがどのように成立したのかはよく理解できていない。我々は、フォルニカータ

128

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

生物群中での嫌気性 mt およびマイトソームの進化を解明するため、主要な CLO から EST
データを取得してきた（カナダ・Dalhousie 大学の Alastair Simpson 博士、Andrew Roger
博士等との共同研究）。これらの EST データを基盤に 163 遺伝子アライメントを作成し、大規模系統解析を行った結果、フォルニカータ生物群の主要生物種間の系統関係を高精度で解明することに成功した〔図 5〕。H25 年度には各種 CLOs の EST データ中に mt 由来オ
ルガネラで機能すると考えられる遺伝子を網羅的に探索し、系統間での mt 由来オルガネラ
機能の普遍性と特異性を検出する。

図 5：
163 遺伝子アライメントから最尤法により推測されたフォルニカータ生物群の主要
系統間の関係
我々が EST 解析に関連した生物種には星印を付けた。

【２】新奇真核生物の発見
H24 年度には以下の新奇真核微生物の培養株を新たに確立した。H25 年度には、次世代シークエンスを用いてこれらの生物種の網羅的発現遺伝子解析を行う予定である。
（１）嫌気性従属栄養性ストラメノパイル生物 MAST-13
ストラメノパイル生物群には、海水から抽出した DNA から PCR 法により増幅した 18S リ
ボソーム RNA 配列だけから存在が推測されている系統群（通称 MAST）が多数存在する。
我々は、この MAST グループのうち MAST-13 に属する嫌気性従属栄養性真核微生物を単離し、培養株化に成功した。［カナダ British Columbia 大・雪吹直史博士との共同研究］（２）嫌気性従属栄養性真核微生物 PAP020 株
PAP020 株は嫌気性真核微生物であり、培養株化され、実験室内で継代培養されている。この細胞の光学顕微鏡観察による形態観察では、その系統的位置に目星をつけることができなかった。また 18S rRNA 配列を決定し分子系統解析を行ったが、PAP020 株が既知のどのような真核生物に近縁なのか全く分からず、高次分類群レベルで全く新奇な生物である可能性がある。［筑波大・石田健一郎博士、白鳥峻志氏との共同研究］（３）緑色渦鞭毛藻類 TRD および MRD 株
一般に光合成性渦鞭毛藻類の葉緑体は「ペリニディン型」と呼ばれ、特異な補助色素ペリ129平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ディニンを含む。その一方、一部の渦鞭毛藻類は系統的に異なる真核藻類が細胞内共生を通して葉緑体化し、ペリディニン型葉緑体と置換した結果である「非ペリディニン型」葉
緑体をもっている。Lepidodinium 属渦鞭毛藻類は緑色を呈する非ペリディニン型葉緑体をもち、その葉緑体は緑藻起源であることが分かっている。我々は Lepidodinium 属とは形態的に異なる緑色渦鞭毛藻類 TRD 株および MRD 株を培養株化することに成功した。［山形大学・岩滝光儀博士、皿井千裕氏との共同研究］【３】分子系統解析の方法論研究（１）塩基組成の偏りがもたらすアーティファクト
一般に分子系統解析で用いられる“homogeneous”塩基置換モデルでは、配列間で塩基組成は大きく異ならないことを前提としている。しかし現実には、生物種間あるいは同一ゲノムの異なる領域間でも塩基組成が異なることがある。配列間の塩基組成が大きく異なる
場合、homogeneous 置換モデルを前提とした解析では著しいモデル不整合が生じ、その結果誤った系統樹（アーティファクト）に導かれることが分かっている。この塩基組成の偏りに起因するアーティファクトを防ぐためには、配列間の塩基組成の偏りを取り入れたよ
り複雑な“non-homogeneous”モデルによる系統解析プログラムの実用化が必須である。
H24 年度までに、塩基組成の偏りの程度を変えたシミュレーションデータを作成し、non-homogeneous モデル解析の頑健性を詳細に検証した。その結果、non-homogeneous
モデル解析は塩基組成の偏りに起因するアーティファクトを抑制しうることを示した。H24
年度からは、石川奏太（生物科学専攻後期 1 年・CS 専攻 M1）が non-homongeneous モデルを実装した系統解析プログラム NHML（Galtier & Gouy Mol Biol Evol 1998 15:871-879）
を超並列計算機上での使用を前提とした改変を行い、その性能評価を開始した。Subtree
pruning and regrafting（発見的樹形探索）の並列化、尤度計算の並列化における通信作業の最適化、複数の初期樹形からの樹形探索の並列化などを行っている。
4.

外部資金の獲得状況

 基盤研究（B）「ハプト・クリプト藻類を含む新奇巨大生物群の提唱とクロムアルベオラータ仮説の検証（課題番号 21370031）」代表、研究期間：2009~2012
交付決定額：直接経費 1,800 千円（期間全体 14,200 千円）、間接経費 540 千円（期間全体 4,260 千円）
 新学術領域研究（研究領域提案型）「ミトコンドリア・色素体以外の共生オルガネラ成立過程の解明（課題番号 23117006）」代表、研究期間：2011~2015
交付決定額：直接経費 17,100 千円（期間全体 14,200 千円・予定）、間接経費 5,130 千円（期間全体 4,260 千円・予定）130

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

5.

研究業績

（１）研究論文1

Matsumoto T, Kawachi M, Miyashita H, Inagaki Y. Prasinoxanthin is absent in thegreen-colored dinoflagellate Lepidodinium chlorophorum strain NIES-1868:
Pigment composition and 18S rRNA phylogeny. Journal of Plant Research
125:705-711.

2

Tsuji M, Sato M, Tanabe AS, Inagaki Y, Hashimoto T. An asynchronous parallel
genetic algorithm for the maximum likelihood phylogenetic tree search. 2012

Proceedings of 2012 IEEE Congress on Evolutionary Computation. doi:
10.1109/CEC.2012.6256560
3

Ishitani Y, Kamikawa R, Yabuki A, Tsuchiya M, Inagaki Y, Takishita K. Evolutionof elongation factor-like (EFL) protein in Rhizaria is revised by radiolarian EFL
gene sequences. 2012 Journal of Eukaryotic Microbiology 59:367-373.

4

Ishikawa SA, Inagaki Y, Hashimoto T. RY-coding and non-homogeneous models
ameliorate the maximum-likelihood inferences from nucleotide sequence data withparallel compositional heterogeneity. 2012 Evolutionary Bioinformatics 8:357-371.

5

Nishimura Y, Kamikawa R, Hashimoto T, Inagaki Y. Separate origins of group I
introns in two mitochondrial genes of the katablepharid Leucocryptos marina. 2012

PLoS One 7:e37307.
6

Takishita K, Kolisko M, Komatsuzaki H, Yabuki A, Inagaki Y, Cepicka I,
Smejkalova P, Silberman JD, Hashimoto T, Roger AJ, Simpson AGB. Multigene
phylogenies of diverse Carpediemonas-like organisms identify the closest relativesof 'amitochndriate' diplomonads and retortamonads. 2012 Protist 163:344-355.

7

Nagayasu E, Ishikawa S, Taketani S, Ooka T, Chakraborty G, Yoshida A, Inagaki Y,
Hayashi T, Maruyama H. Identification of a bacteria-like ferrochelatase gene in

Strongyloides venezuelensis, an animal parasitic nematode. PLoS One 8:e58458.
（２）学会発表（発表者は太字）（A）招待講演（すべて口頭発表）
1

Yuji Inagaki．Genome evolution of the nitrogen-fixing cyanobacterial endosymbiont
in the diatom Epithemia turgida．2012 年 7 月 29 日-8 月 3 日

Integrated Microbial

Biodiversity Program Meeting, Canadian Institute for Advanced Research．Hilton
Hotel, Quebec City, Quebec, Canada．
2

Yuji Inagaki ． A model for endosymbiotic genome reduction: rhopalodiacecan
diatoms and their nitrogen-fixing organelle, spheroid body．（Oral, Invited）2012131平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

年 7 月 29 日-8 月 3 日
3Protist2012

University of Oslo, Oslo, Norway．

Yuji Inagaki, Ryoma Kamikawa, Takuro Nakayama, Goro Tanifuji, Tetsuo
Hashimoto．細胞共生体由来オルガネラ進化に関する新たな展開（New aspects of theevolution of endosymbiotic bacterium-derived organelles）．2012 年 9 月 19-22 日

第28 回日本微生物生態学会（JSME 2012）豊橋技術科学大学，豊橋，愛知．
4

Ryoma Kamikawa, Akinori Yabuki, Tetsuo Hashimoto, Yuki Nishimura, Yuji
Inagaki．新奇真核微生物がもたらす新しい真核生物大系統像（Searching for missing
pieces in natural environments: With the emphasis on the importance of culture
strains of enigmatic eukaryotes for global eukaryotic phylogeny）．2012 年 9 月 19-22
日

5

第 28 回日本微生物生態学会（JSME 2012）豊橋技術科学大学，豊橋，愛知．

稲垣祐司、皿井千裕、神川龍馬、高橋和也、岩滝光儀．渦鞭毛藻類における緑色葉緑体の起源と多様性．2013 年 3 月 20 日

第 15 回植物オルガネラワークショップ

オル

ガホール，岡山，岡山．
（B）その他の学会発表
1

石谷佳之、石川奏太、神川龍馬、矢吹彬憲、土屋正史、稲垣祐司、瀧下清貴．放散虫と有孔虫が互いに姉妹群とする「レタリア仮説」に基づいたアクチン、チューブリン
およびペプチド伸長因子の複雑な進化シナリオ．
（口頭発表）2012 年 5 月 20-25 日
本地球惑星科学連合 2012 年大会

2日

幕張メッセ国際会議場, 幕張, 千葉．

横山亜紀子 守屋繁春、稲垣祐司、橋本哲男、白鳥峻志、中山剛、石田健一郎、井上勲．
メタゲノミクスで探る東京湾沿岸の藻類・プロティスト相．（口頭発表）2012 年 5 月
20-25 日3

日本地球惑星科学連合 2012 年大会

幕張メッセ国際会議場, 幕張, 千葉．

西村祐貴、神川龍馬、稲垣祐司、橋本哲男．ローリングサークル型複製法に基づく原生生物ミトコンドリアゲノムのシーケンス解析．
（口頭発表）2012 年 7 月 13-15 日
本藻類学会第 36 回大会

4

北海道大, 札幌, 北海道．

矢崎裕規、神川龍馬、橋本哲男、稲垣祐司．Karenia 属渦鞭毛藻類の三次葉緑体獲得に伴う葉緑体型 GAPDH の進化．（ポスター発表）2012 年 7 月 13-15 日
会第 36 回大会

5

日本藻類学

北海道大, 札幌, 北海道．

横山亜紀子、守屋繁春、稲垣祐司、橋本哲男、井上勲．塩基配列情報で探る東京湾沿岸の真核微生物相とその季節変動．
（口頭発表）2012 年 7 月 13-15 日
第 36 回大会

6

日本藻類学会

北海道大, 札幌, 北海道．

神川龍馬、吉田昌樹、平美砂歌、石田健一郎、橋本哲男、稲垣祐司．光合成能進化研
究のモデルとしての無色珪藻類 Nitzschia spp．
（口頭発表）2012 年 7 月 13-15 日
本藻類学会第 36 回大会

7

日

日

北海道大, 札幌, 北海道．

松本拓也、神川龍馬、橋本哲男、稲垣祐司．渦鞭毛藻 Lepidodinium EST 解析による132

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ヌクレオモルフ関連遺伝子の探索．
（ポスター発表）2012 年 7 月 13-15 日
学会第 36 回大会
8

日本藻類

北海道大, 札幌, 北海道．

稲垣祐司．珪藻 Epithemia turgida 細胞における窒素固定シアノバクテリア共生体のゲノム解析．
（口頭発表）2012 年 7 月 20-21 日

第 1 回マトリョーシカ型生物学研究

会 国立感染症研究所, 東京, 東京．
9

西村祐貴、神川龍馬、稲垣祐司、橋本哲男．ローリングサークル型複製法に基づく原生生物ミトコンドリアゲノムのシーケンス解析．（ポスター発表）2012 年 7 月 20-21
日

第 1 回マトリョーシカ型生物学研究会

国立感染症研究所, 東京, 東京．

10 矢崎裕規、神川龍馬、橋本哲男、稲垣祐司．Karenia 属渦鞭毛藻類の三次葉緑体獲得に伴う葉緑体型 GAPDH の進化．（ポスター発表）2012 年 7 月 20-21 日
リョーシカ型生物学研究会

第 1 回マト

国立感染症研究所, 東京, 東京．

11 久米慶太郎、平澤輝仁、松尾恵梨子、沈茹菁、神川龍馬、稲垣祐司、橋本哲男．Dysnectes

brevis ミトコンドリア関連タンパク質における輸送シグナル配列の探索．
（ポスター発表）2012 年 7 月 20-21 日

第 1 回マトリョーシカ型生物学研究会

国立感染症研究所,

東京, 東京．
12 Sohta Ishikawa, Yuji Inagaki, Tetsuo Hashimoto．RY-coding and non-homogeneousmodels can ameliorate the maximum-likelihood inferences from nucleotide
sequence data with parallel compositional heterogeneity．（口頭発表）2012 年 7 月
29 日-8 月 3 日

Protist2012

University of Oslo, Oslo, Norway．

13 Yuki Nishimura, Ryoma Kamikawa, Yuji Inagaki, Tetsuo Hashimoto ． A newstrategy of organellar genome sequencing incorporating rolling circle amplification:
protist mitochondria genomes．（ポスター発表）2012 年 7 月 29 日-8 月 3 日
Protist2012

University of Oslo, Oslo, Norway．

14 Yuki Yazaki, Ryoma Kamikawa, Tetsuo Hashimoto, Yuji Inagaki ． Is thereplacement of a gene encoding plastid-targeted GAPDH on-going in the
dinoflagellate genus in Karenia?（ポスター発表）2012 年 7 月 29 日-8 月 3 日
Protist2012

University of Oslo, Oslo, Norway．

15 Ryoma Kamikawa, Yuki Nishimura, Akinori Yabuki, Martin Kolisko, Alastair G. B.
Simpson, Andrew J. Roger, Ken-ichiro Ishida, Tetsuo Hashimoto, Yuji Inagaki．The
phylogenetic position and mitochondrial genome sequence of the enigmatic discobid

Tsukubamonas globosa．（口頭発表）2012 年 7 月 29 日-8 月 3 日 Protist2012
University of Oslo, Oslo, Norway．
16 Akiko Yokoyama, Shigeharu Moriya, Yuji Inagaki, Tetsuo Hashimoto, Isao Inouye．
Seasonal succession of eukaryotic community detected by environmental sequencesin Tokyo Bay, Japan．（ポスター発表）2012 年 7 月 29 日-8 月 3 日

133Protist2012

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

University of Oslo, Oslo, Norway．
17 Martin Kolisko, Ryoma Kamikawa, Kiyotaka Takishita, Ivan Cepicka, QianqianZhang, Tetsuo Hashimoto, Akinori Yabuki, Yuji Inagaki, Andrew J Roger, Alastair
GB Simpson．Evolutionary analysis of mitochondrial ancestry of diplomonads:
Phylogenomics

ofmitochondrial-relatedorganelles

organisms．
（口頭発表）2012 年 7 月 29 日-8 月 3 日

inProtist2012

Carpediemonas-like
University of Oslo,

Oslo, Norway．
18 神川龍馬、西村祐貴、矢吹彬憲、Martin Kolisko、Alastair GB Simpson、Andrew J
Roger、石田健一郎、橋本哲男、稲垣祐司．The enigmatic discobid Tsukubamonas

globosa: phylogenomic analysis and mitochondrial genome sequence（新奇単細胞真核生物 Tsukubamonas globosa の系統的位置とミトコンドリアゲノム）．（ポスター発表）2012 Dec 11-14

第 35 回日本分子生物学会

福岡国際会議場・マリンメッセ福岡，福岡，福岡．
19 神川龍馬、西村祐貴、左子芳彦、橋本哲男、稲垣祐司．The genes encoding elongation
factor 1α and elongation factor-like protein co-exist in distantly related eukaryotic
genomes（真核生物における翻訳伸長因子 EF-1α と EFL を両有するゲノムの分布）．
（ポスター発表）2012 月 12 月 11-14 日

第 35 回日本分子生物学会

福岡国際会議場・

マリンメッセ福岡，福岡，福岡．
20 神川龍馬、Martin Kolisko、Jan Andersson、Alastair GB Simpson、Andrew J Roger、
稲 垣 祐 司 、 橋 本 哲 男 ． A comparative transcriptomic analysis of themitochondrion-related organelles in members of an anaerobic protist group,
Fornicata（嫌気環境に適応したフォルニカータ生物群におけるミトコンドリア関連オ
ルガネラのトランスクリプトーム比較解析）．
（ポスター発表）2012 月 12 月 11-14 日
第 35 回日本分子生物学会

福岡国際会議場・マリンメッセ福岡，福岡，福岡．

21 神川龍馬、Martin Kolisko、Jan O Andersson、Alastair GB Simpson、Andrew J Roger、
稲垣祐司、橋本哲男．ミトコンドリア関連オルガネラの縮退進化．（口頭発表）2012
年 12 月 19-21 日

日本ミトコンドリア学会第 12 回年会

筑波大学，つくば，茨城．

22 橋本哲男、神川龍馬、林奈々子、稲垣祐司．嫌気性寄生原虫におけるエネルギー代謝
関連酵素の分子進化（Molecular evolution of energy metabolism-related proteins inanaerobic protozoan parasites）．（口頭発表）2013 年 3 月 29-31 日
生虫学会
6.

日本医科歯科大学，東京，東京．

異分野連携・国際連携等

なし

134

第 82 回日本寄平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

7.

国際活動

Councilor-at-large, International Society of Evolutionary Protistology（2008 年より）
8.

教育
矢崎裕規、修士（理学）論文題目「Karenia 属渦鞭毛藻類の三次葉緑体獲得に伴う葉

緑体型 GAPDH の進化」
久米慶太郎、学士（理学）論文題目「Fornicata 生物の持つミトコンドリア関連タンパ
ク質に存在する輸送シグナルの探索」
9.

社会貢献・国際貢献なし
10. その他
関東プロティスト倶楽部（真核微生物を材料にした幅広い研究者の相互交流を目指す研究会：https://sites.google.com/site/memicrobes/home/kpc）を主催している。
※2012 年 6 月 1 日（順天堂大）と 2013 年 2 月 12 日（東京慈恵医科大）にて開催した。

135平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

III. 地球環境研究部門
V. 地球環境分野
1.
教授

メンバー
田中博（センター勤務）、植田宏昭（学内共同研究員）
木村富士男（学外共同研究員 JAMSTEC）、鬼頭昭雄（学外共同研究員

准教授

日下博幸 （センター勤務）

助教

若月泰孝 （学内共同研究員）

研究員

寺崎康児（国立極地研究所、センター勤務）気象研）

大学院生 20 名、学類生 8 名

2.

概要

地球環境学部門における主な活動としては、全球雲解像モデル NICAM（Gl=10）の 7km 解像度
モデルによる大規模計算を T2K-Tsukuba システムを用いて行った結果の解析を進めたことがあげられる。2008 年 9 月を初期値とした数値積分と、2009 年１月を初期値とした数値積分を、それぞれ夏と冬に 1 か月ランとなるように数値積分期間を延長して時間積分を行った。この他に
14 km 解像度(Gl=9)のデータを用いて北極振動、北極低気圧、温帯低気圧、ブロッキング、熱帯低気圧などの研究を継続した。特に北極低気圧の 3 次元構造について、NICAM による数値実験の結果と気象庁全球η面ガウス格子(20 km 格子)の解析値とを比較した。極渦による大規模場からの渦度の供給と北極前線ジェットの傾圧性により発達するメソ低気圧の極渦との併合が重要であることを見出した。大気大循環研究と並んで領域気象モデル WRF を用いた都市気候シミュレー
ションが行われ、都市気候の将来予測、多治見猛暑の実態調査を推進したほか、建物解像 LESモデルの開発をセンター内共同研究として手掛け、都市キャノピーモデルの改良に役立てられた。
地球環境学分野として査読付き研究論文 24 編、学会発表等多数が行なわれた。

3.

研究成果

【1】都市気候の将来予測（１） 温暖化影響評価研究者のためのダウンスケーリング （日下）政策担当者や技術職員・研究員が単独で各地域の温暖化予測評価を実施可能にするため、「温暖化影響評価研究者のためのダウンスケーラシステム」（ダウンスケーラ）の開発を行っている。
平成 24 年度は、平成 23 年度に開発したダウンスケーラをベースに、影響評価研究者（ユーザー）の意見を取り入れる形で改良を行った。具体的には、前年度のアドバイザリー会合などで出された意見や、テストユーザーからの要望をまとめ、改良箇所に反映させた。例えば、平成 23 年度
版では解像度を 20km-5km から選択するのみであったが、平成 24 年度版では、30km-10km の解像度も選択することが可能となった。また、1）計算領域の緯度経度を手動で入力する機能、2）第136

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

1 領域と第 2 領域をマウスで選択する機能を追加した（図 1）。これにより、計算領域選択の自由度が大きくなった。その他、ユーザーの要望を反映して、計算領域設定・計算結果表示における県境のプロット、計算設定に関するアドバイスの画面表示などの機能を追加した。

図 1 計算領域を手動入力で指定する機能（左図）と マウス選択する機能（右図）（２）建物解像並列 LES モデルの共同開発（日下）
都市気候の詳細な研究では、モデルの空間解像度を数十メートル以下とする必要があるため、本研究では、都市の詳細な熱環境を解析可能な Large Eddy Simulation (LES) モデルの開発を行っている。平成 24 年度は、都市街区スケールでの詳細な気温分布を再現するのに必要となる放射モデルの開発を行い、LES モデルに組み込んだ。開発した放射モデルでは、建物による影や建物間の多重反射を考慮することができるため、現実に近い都市の放射環境を再現することが可能である。この放射モデルを LES に組み込み、流体計算と連成させ、計算を行った。結果は、10時の地表面の影の位置（図 1a）と地上 1.5m での気温の水平断面図（図 1b）であり、直射日光が当たる日向では日影より 0.3℃程度気温が高い様子が示されている。このように、建物間放射モデルを導入したことで直射日光が当たっている場所と日影となっている場所とで気温差が現れ、より現実的な計算が可能となった。LES モデル開発では137

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 2 (a) 建物間放射モデルで計算した影の様子（10 時）。(b) 放射モデルと LES モデルを結合し、街区内気温分布を計算した結果。日向では影の領域よりも 0.3℃程度気温が高い様子がみられる。

他に、計算の高速化のため、並列化に加え GPU 化を引き続き行っている。本研究は文科省 RECCA
プロジェクトの一環として行われ、本センターの計算機科学の研究者の協力を得た共同開発を推進している。

【２】

NICAM を用いた北極低気圧の数値実験とその解析(田中、寺崎)文科省グリーン北極事業の一環で北極気候変動研究プロジェクトが 2011 年度から開始されている。今年はその 2 年目となった。北極気候変動研究は近年の地球温暖化研究の最前線として位置付けられ、北極海の海氷の減少は、地球温暖化の研究課題として重要であると同時に、北極海周辺の天然資源の発掘や北極航路の開拓という経済的理由からも注目されている。特に、2012 年は 2007 年を超える夏
季の海氷現象がみられた。

図３ 2006 年 7 月に発生した北極低気圧の中心周辺で平均した相対渦度の時間鉛直断面図。

138

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 4 2006 年 7 月に発生した北極低気圧の中心周辺で平均した温位アノマリの時間鉛直断面図。

図５ NICAM による 2008 年 6 月に発生した北極低気圧の中心周辺の (a) 300hPa 気温、(b) 500hPa 気
温、(c) 400hPa 渦位、300hPa 相対湿度 (Aizawa et al., 2013)。

その原因の一つに、スーパー北極的気圧の発生があった。北極海の海氷の消長には、ボーフォート
高気圧と対をなし、北極海ダイポール気圧配置をもたらす北極低気圧の存在が重要であり、その成因解明と動向予測に注目が集められている。本研究では、全球雲解像モデル NICAM を用いて行った2008 年 6 月の北極低気圧の 3 次元構造を、気象庁全球η面ガウス解析値の構造と比較した。この北極低気圧は北極海上を 20 日以上も迷走した低気圧で、温帯低気圧とは異なる特徴や構造を持つ。
NICAM による数値実験の結果では、中心の低気圧性の渦度は対流圏上層の極渦と一体化した順圧構139平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書造を持ち、極渦周辺の北極前線の傾圧性により対流圏下層で発達したメソ低気圧と併合を繰り返すことで長期間持続していることを示している（図３－５）。

【４】

３D ノーマルモードによる 3 次元基本場の傾圧不安定解析（田中）

地球大気は非線形流体力学におけるハミルトニアンシステムであり、全エネルギーを保存すると同時に剛体力学にはない渦位という量を保存する。静止大気を基本場とする全球大気のノーマルモードは、
大気潮汐理論により Hough 関数としてその解が知られている。これは上記ハミルトニアンシステムを、基本場に重なる微小擾乱として線形化することで求まる解析解であり、線形システムもハミルトニアンシス
テムを構成する。

図６ 冬季の 3 次元基本場における傾圧不安定 Charney モードのライフサイクルの理論解を、位相角 0,60, 120, 180 度の順圧高度場で示した分布図 (Tanaka and Seki, 2013)。

140平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

基本場が鉛直子午面で変化する帯状平均気候値の場合、基本場からエネルギーを受け取り増幅す
る傾圧不安定が発生し、それが中緯度の温帯低気圧を発達させる。本研究では、静止大気における３
D ノーマルモードを正規直交基底とした３D スペクトルモデルを構築し、東西方向にも変化する 3 次元的な気候値を基本場とした線形方程式の固有値問題を解くことで、順圧傾圧不安定理論の一般化を行った。帯状平均基本場における傾圧不安定波は、東西波数 6 付近に最大増幅率を持ち、波数で分割された領域での構造が東進し、ライフサイクルが完結する。それに対し、基本場が東西方向にも変化する
場合の最大増幅率の傾圧不安定波は、ひとつの周期の構造変化を波数倍した期間でひとつのライフサイクルが完結する。図６は周期的に変化する順圧高度場を、位相角にして０度、６０度、１２０度、１８０
度の場合について示した図である。ここで、１８０度の図は０度の図を逆部号にした図となる。この間にト
ラフとリッジの関係が入れ替わると同時にひとつ東に移動することが解る。したがって、図６の３６０度を解の１周期とすると、その東西波数倍だけ同様に移動することで、ひとつのライフサイクルが完了する。大
西洋では亜熱帯ジェットと寒帯前線ジェットが分かれ、ダブルジェットになっているところを傾圧不安定
波が背景の基本場を感じながら東進する。一方、日本付近では、亜熱帯ジェットと寒帯前線ジェットが合流し、強い１本のジェットになった背景場を感じながら傾圧不安定波が東進する。このように、背景場に応じて変形しながら東西方向に地球を１週することでひとつのライフサイクルが完了する。これが３次元基本場における線形プリミティブ方程式の最大増幅率を持つ傾圧不安定波の解の振る舞いである。

4.

教育

指導学生（田中）D1: (地球) 相澤、近藤
M2: (地球) 長門、山上、植木、川津、小林、武田
M1: (地球) 足立、海野、木野、馬場
B4: (地球)
指導学生（日下）D3（地球）： 秋本、池田、高根
D2（地球）： 岡田、豊田
D1（地球）： 加藤、ドアン
M2（地球）： 水成、西、平田、阿部M1（地球）： 久野、藤田、廣田、桑門、工藤
B4（地球）： 大高、柿沼
集中講義 岩手大学 「地球規模環境論」 （田中）集中講義 首都大学東京 「空間情報科学」 （日下）5.

受賞、外部資金、知的財産権等

文科省

GRENE

文科省

RECCA プロジェクト、日下北極研究プロジェクト、田中

141平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

環境省 S8 プロジェクト、日下
6.

研究業績

研究論文他 （査読付き）
1. Okada, M., Kusaka, H., 2013 : Proposal of a new equation to estimate globe
temperature in an urban park environment. J. Agric. Meteor., 69(1), 23-32.
2. 仲野久美子, 仲吉信人, Alvin C.G. Varquez, 神田学, 足立幸穂, 日下博幸, 2013 : 最
新の都市パラメタリゼーションを導入した集中豪雨シミュレーション. 土木学会論文
集 B1(水工学), 69(4), I335-I360.
3. 髙根雄也, 日下博幸, 髙木美彩, 岡田牧, 阿部紫織, 永井徹, 冨士友紀乃, 飯塚悟,
2013 : 岐阜県多治見市における夏季晴天日の暑熱環境の実態調査と領域気象モデル WRFを用いた予測実験 －物理モデルと水平解像度に伴う不確実性の検討－. 地理学評論,86-1, 14-37.
4. 髙根雄也, 日下博幸, 原政之, 2012 : IPCC SRES A2 シナリオ下での三大都市圏の夏季気候の将来予測 : WRF-UCM による力学的ダウンスケーリング. 日本ヒートアイランンド
学会論文集, 7, 18-26.
5. Adachi, S. A., Kimura, F., Kusaka, H., Inoue, T., Ueda, H., 2012 : Comparison of
the Imapact of Global Climate Change and Urbanization on Summertime Future Climate
in the Tokyo Metropolitan Area. J. Appl. Meteor. Climatol., Vol.51, No.8.,
1441-1454.
6. 日下博幸, 高根雄也, 阿部紫織, 高木美彩, 重田祥範, 大橋唯太, 布和宝音, 2012 :オープンスペースで実施した定点観測によって捉えられた夏季晴天日におけるつくば市のヒートアイランド：都市内外の気温差に関する不確実性の評価. 日本ヒートアイラ
ンンド学会論文集, 7, 1-9.
7. Ishizaki, N. N., Shiogama, H., Takahashi, K., Emori, S., Dairaku, K., Kusaka, H.,
Nakaegawa, T., Takayabu, I., 2012 : An Attempt to Estimate of Probabilistic
Regional Climate Analogue in a Warmer Japan. J. Meteor. Soc. Japan., 90B, 65-74.
8. Kusaka, H., Chen, F., Tewari, M., Dudhia, J., Gill, D. O., Duda, M. G., Wang, W.,
Miya, Y., 2012 : Numerical Simulation of Urban Heat Island Effect by the WRF Modelwith 4-km Grid Increment: An Inter-Comparison Study between the Urban Canopy Modeland Slab Model. J. Meteor. Soc. Japan., 90B, 33-45.
9. Kusaka, H., Hara, M., Takane, Y., 2012 : Urban climate projection by the WRF modelat 3-km horizontal grid increment: Dynamical downscaling and predicting heatstress in the 2070’s August for Tokyo, Osaka, and Nagoya metropolies. J. Meteor.

Soc. Japan., 90B, 47-63.

142平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

10. Ishizaki, N. N., Takayabu, I., Oh'izumi, M., Sasaki, H., Dairaku, K., Iizuka, S.,
Kimura, F., Kusaka, H., Adachi, S. A., Kurihara, K., Murazaki, K., Tanaka, K.,2012 : Improved performance of simulated Japanese climate with a multi-model
ensemble. J. Meteor. Soc. Japan., 90(2), 235-254.
11. Iizumi, T.,Takayabu, I., Dairaku, K., Kusaka, H., Nishimori, M., Sakurai, G.,
Ishizaki, N. N., Adachi, S. A., and Semenov, M. A.,2012 : Future change of daily
precipitation indices in Japan: A stochastic weather generator-based bootstrap
approach to provide probabilistic climate. Journal of GeophysicalResearch-Atmosphere.,Vol117,D11114 19PP.
12. Zagar, N., K. Terasaki, and H. L. Tanaka 2012: Impact of the Vertical Resolutionof Analysis Data on the Estimates of Large-Scale Inertio-Gravity Energy. Mon. Wea.
Rev. 140, 2297-2307.
13. Sang-Min Lee, Hi-Ryong Byun, and Hiroshi L. Tanaka 2012: Spatiotemporal
Characteristics of Drought Occurrences over Japan. J. Applied Meteor. and Clim. ,51, 1087-1098..
14. 田中博（分担執筆）, 2012: [地学基礎]. 森本他監修、実教出版社, 文科省検定済教科
書、191 pp.
15. 田中博（分担執筆）, 2012: [地学基礎]. 森本他監修、実教出版社, 教授用指導所、215
pp.
16. Tanaka, H.L., A. Yamagami, and S. Takahashi 2012: The structure and behavior of
the Arctic cyclone in summer analyzed by the JRA-25/JCDAS data. Polar Science,
6, 55-69.
17. Nagato, Y. and H. L. Tanaka 2012: Estimation of global warming trend without thecontributions from decadal variability of the Arctic Oscillation. Polar Science,
6, 15-22.
18. Tanaka, H.L., and S. Seki 2013: Development of 3D spectral linear baroclinic modeland the application to the baroclinic instability associated with positive andnegative Arctic Oscillation Index. JMJS, 90, 193-213.
19. Aizawa, T. , H. L. Tanaka, and M. Satoh 2012: Rapid arctic cyclogenesis by thecloud resolving global model NICAM. (Accepted in Meteor. Atmos. Phys.)
20. 木野公朝・田中博, 2013: AOI 方程式を用いた北極振動の解析的研究. （投稿中）
21. Dowsett, H.J., K. M. Foley, D. K. Stoll, M. A. Chandler, L. E. Sohl, M. Bentsen,
B. L. Otto-Bliesner, F. J. Bragg, W.-L. Chan, C. Contoux, A. M. Dolan, A. M. Haywood,
J. A. Jonas, A. Jost, Y. Kamae, G. Lohmann, D. J. Lunt, K. H. Nisancioglu, A.
Abe-Ouchi, G. Ramstein, C. R. Riesselman, M. M. Robinson, N. A. Rosenbloom, U.

143

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Salzmann, C. Stepanek, S. L. Strother, H. Ueda, Q. Yan, and Z. Zhang, 2013: Sea
surface temperature of the mid-Piacenzian ocean: A data-model comparison.
Scientific Reports, 3, 2013, doi:10.1038/srep02013.
22. Haywood, A. M., D. J. Hill, A. M. Dolan, B. Otto-Bliesner, F. Bragg, W.-L. Chan,
M. A. Chandler, C. Contoux, A. Jost, Y. Kamae. G. Lohmann, D. J. Lunt, A. Abe-Ouchi,
S. J. Pickering, G. Ramstein, N. A. Rosenbloom, L. Sohl, C. Stepanek, Q. Yan, H.
Ueda, and Z. Zhang, 2013: Large scale features of Pliocene climate: Results fromthe Pliocene model intercomparison project. Clim. Past, accepted.
23. Inoue, T., and H. Ueda, 2012: Delay of the Baiu withdrawal in Japan under global
warming condition with relevance to warming patterns of SST. J. Meteor. Soc.
Japan,90, 855-868.
24. Kamae, Y. and Ueda, H.: Mid-Pliocene global climate simulation with MRI-CGCM2.3:
set-up and initial results of PlioMIP Experiments 1 and 2, Geosci. Model Dev.,
5, 793-808, doi:10.5194/gmd-5-793-2012, 2012.

7.

異分野間連携・国際連携・国際活動等
センター内連携： LES-GPU グループ
大規模気象計算 WG
産学官連携： 岐阜県多治見市と連携協定（日下）国際活動： 米国大気研究センター訪問、米国アラスカ大学訪問、アラスカ大学との大学間協定
北極環境研究コンソーシアム、国際北極科学会議(IASC)副議長 （田中）8.

シンポジウム、研究会、スクール等の開催実績
気象学会公開気象講演会「地球温暖化問題における科学者の役割」（田中）

気象学会夏季大学「北極圏の温暖化と異常気象」教育と普及委員会企画（田中）
9.

管理・運営

地球環境科学専攻長、学長補佐、全学ＦＤ委員会委員長、教育企画室員、教育イニ
シアチブ機構（田中）
全学計算機システム委員会委員、自然系学類計算機委員会委員長、研究科学生生活委員会委員、専攻広報委員会委員、学類メンタルヘルス学生支援チーム、CCS 大規
模メニーコア仕様策定委員会委員、T2K 運用連絡会委員、HA-PACS 運用連絡会委
員、TCA 仕様策定委員会委員、学際共同利用委員会委員、など（日下）10. 社会貢献・国際貢献

茨城県県民大学

平成 24 年度夏季講座 講師（田中）144平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

熱中症予防声かけプロジェクト 実行委員、NEDO 発電量予測技術委員会 /発電量予測技術研究会 委員、気象庁気候問題懇談会 検討部会 委員 （日下）
11. その他

放送大学客員教授、気象学会理事、地球惑星連合代議員（田中）
気象大学校非常勤講師、International Association for Urban Climate(IAUC)

理事、日本ヒートアイランド学会理事、気候影響利用研究会幹事（日下）メディア出演：NHK「ニュースウォッチ９」、テレビ朝日「報道ステーション」、日
経産業新聞「先端人」、ラジオ Inter FM「GREEN STATION」ほか（日下）145平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

VI. 高性能計算システム研究究部門
1.

メンバー

教授 佐藤 三久、朴 泰祐、児玉 祐悦、高橋 大介
准教授

建部 修見、塙 敏博

助教 多田野 寛人
研究員
2.

田中 昌宏、辻 美和子、梅田 宏明、中尾 昌広、奴賀 秀男

概要

本研究部門では、高性能計算システムアーキテクチャ、並列プログラミング環境、GPU
利用技術、並列数値処理の高速化研究、広域分散環境におけるデータ共有を中心とするグリッド計算技術等の研究を行っている。
3.

研究成果

【演算加速機構を持つ将来の HPCI システムに関する調査研究】（佐藤、朴、児玉、高橋）
本調査研究においては、将来の HPCI システムのあり方の調査研究に対して科学技術計
算のアプリケーションに適合した演算加速機構による並列大規模システムを提案し、調査研究を行った。
現在の最先端のスパコンは大規模な並列システムであり、個々の要素であるプロセッ
サの高性能化とともに、システムを構成するプロセッサ数を増やすことにより高性能化を達成してきた。ナノテクやライフサイエンスの進歩、気候気象予測や地震・防災への対処には計算科学は不可欠かつ有効な手段であり、その他の様々な計算科学の諸分野において、そのためにはさらなる計算能力が要請されている。しかし、性能のさらなる向上のためにプロセッサ数をさらに増やす、これまでのアプローチは設置面積、消費電力等の制限から、限界が見えてきた。さらに性能を向上させるためには、演算性能を重視したプロセッサ構成や、チップ内メモリによるバンド幅の向上、特定アプリケーションに特化した演算回路などを導入することにより、汎用的な処理を行う従来の汎用プロセッサよりも大幅な処理性能の向上と電力効率の改善が必要である。さらに、ライフサイ
エンスの分子シミュレーションなど、多くのアプリにおいて一定の問題の高速化（強スケーリング）が要請されるようになってきた。本調査研究では、このような電力効率の
大幅な効率化と強スケーリングによる新たな計算科学の展開を目指して、演算加速機構
による並列大規模システムについて調査研究を行っている。
本調査研究に想定するシステムについての概略について図 1 に示す。多数の演算コアを内蔵したチップによる演算加速機構が汎用プロセッサで構成された並列システムの各ノードに接続もしくは内蔵されているヘテロジーニアスな並列システムを想定する。
146平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

演算加速機構は、多数のスループットコアにより構成され、チップ内ネットワークにより結合される。コアはローカルメモリを持ち、メッシュネットワークで結合される。いくつかのコアごとにコントローラで同期制御（SIMD）される。
当該年度においては、各分野からのアプリを調査し、Co-design により基本アーキテク
チャを検討した。

図 1 調査研究の対象とするシステムの想定概略【次世代並列処理言語 XcalableMP の研究開発】（佐藤）E-Science プロジェクト「並列プログラミング言語に関する研究開発 」において開発を進めた、分散メモリ構成を基本とする大規模並列処理システムにおける並列 HPC
アプリケーションのため、並列プログラミング言語 XcalableMP（XMP）の開発・改善
を引き続き行っている。標準化の活動を PC クラスタコンソーシアムの XMP 規格部会を設置し、行っている。当該年度においては、1.0 を改善した、XMP

Version 1.1 を公開した。
これまでの C 言語に加えて、Fortran95 の XMP コンパイラを行い公開した。
XMP version 1.1 の仕様及びプロトタイプコンパイラについては、それぞれ以下のURL において公開されている。
XMP version 1.0 仕様：

http://www.xcalablemp.org/spec/xmp-spec-1.1.pdf

プロトタイプコンパイラ：http://www.xcalablemp.org/download.html

147平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書【HA-PACS/TCA の研究開発】（朴、児玉、塙）
文部科学省特別経費「エクサスケール計算技術開拓による先端学際計算科学教育研究
拠点の充実」（H23〜H25 年度の 3 年間）において、密結合演算加速装置（Tightly
Coupled Accelerators: TCA）を提案し、中核となる PEACH2 (PCI Express Adaptive
Communication Hub ver.2)チップを FPGA により実装し、これを汎用 GPU クラスタ
ノードに実装するための PCI Express ボードを開発している。前年度に行ったプロト
タイプハードウェアの実装に基づき、今年度は PEACH2 ボードの量産と、FPGA 上の回路に PEACH2 の基本的な機能を実装し、8 ノードの実験システム上での動作確認を行った。また、初期的な通信性能評価及び機能確認を行った。これらにより、TCA のGPU クラスタ実装において必要とされる基本機能が実現されていることを確認した。

図2

PEACH2 ボード（量産型）

PEACH2 ボードの量産タイプは、プロトタイプと基本的に同じ構成を持ち、Altera
社製 Stratix IV GX を用い、同社が提供する PCI Express gen.2 IP を 4 ポート（各ポート x8 lane）実装している。この他、FPGA 内には汎用 CPU コア、DMA コントロー
ラ等を組み込み、TCA アーキテクチャに基づく GPU 間直接通信における低レイテンシ
通信と多様な HPC アプリケーションに対応する基本機能を備えている。図 2 にPEACH2 量産ボードの写真を示す。
このボードを HA-PACS ベースクラスタと同等の構成を持つ計算サーバに装着し、2ノードに跨る通信性能を測定した結果を図 3 に示す。バンド幅については、ハードウ
ェアとしての PCI Express gen.2 x8 lane の理論ピーク性能の 95%が出ており、レイテ
ンシとしては CPU からの通信の場合に最小値で約 1μ秒が達成されている。ただし、現時点で使用している Intel SandyBridge E5 のプロセッサでは、PCI Express バス上のデバイス間通信にハードウェア的ボトルネックがあり、ノード間 GPU 間転送では 2.5μ秒程度がレイテンシの限界である。これは PEACH2 自体の本質的な性能ではなく（CPU を介した通信ではレイテンシはこの半分以下）、CPU の PCI Express の問題であり、今後の CPU の改良により改善されていくものと思われる。
148

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書【超並列 GPU コンピューティング技術に関する研究】（佐藤、朴）
戦略的国際科学技術協力推進事業（日仏共同研究）「ポストペタスケールコンピュー
ティングのためのフレームワークとプログラミング」において、超並列 GPU クラスタにおける並列プログラミング環境に関する研究を行っている。当該年度においては、フランス側が開発したアルゴリズム記述用のフロー言語 YML との統合を行った。従来の YML
では、フローの中で用いることができる計算コンポーネントが逐次プログラムだけだったが、XMP で記述された

図 3 PEACH2 ボードによる CPU 間及び GPU 間通信性能（左：レイテンシ、右：バンド幅）

複数プロセスのコンポーネントが作成できる。YML は、我々が開発した OmniRPC を実行
時の
スケジューラとして使っている。この拡張を行うために OmniRPC を改造して行った。これにより、MPMD(Multiple Program/Multiple Data)の新しいプログラミングモデルを提要することができる。これを、ブロック型のガウスジョルダン法のプログラムを作成し、その有効性を確認した。
また、GPU と併せて高性能化・コア数増大が進む CPU 性能に着目し、単一ループ内の多数の計算を各ノード上の GPU と CPU に割り当て、ノード上の計算リソースを最大限利用するアプローチとして、XMP の GPU 対応版である XMP-dev に GPU/CPU ワークシェアリ
ング機能を追加した XMP-dev/StarPU を開発している。これはフランス INRIA において開発されている StarPU スケジューラと XMP コンパイラを組み合わせる形で実現される共同研究である。今年度の研究では、GPU と CPU コアの性能差が大きい点に注目し、ループ中のタスクを単にタスク数で分割するのではなく、割り当てるタスクサイズそのものを、リソースの性能に合わせて最適化し、適度なロードバランスを取ることにより、GPU のみを利用した場合に比べ性能向上が得られることを確認した。行列積計算や多体問題を HA-PACS ベースクラスタ上の XMP-dev/StarPU プロトタイプコンパイラで評価し、149

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

GPU のみの場合に比べ 1.1〜1.4 倍程度まで性能が向上することを確認した。
【大規模広域分散ファイルシステム及びグリッド／クラウド技術に関する研究】（建部）
文部科学省が進める革新的ハイパフォーマンスコンピューティングインフラ（HPCI）の HPCI 共用ストレージのシステムソフトウェアとして利用される Gfarm ファイルシ
ステムの整備を行った。具体的には、高負荷試験、不具合修正、ファイル複製数の自動保持、一貫性チェックの高速化、運用監視システム、性能監視システム、ドキュメントの更新、ファイル複製配置のグループ指定などである。この結果として、Gfarm バー
ジョン 2.5.8 をリリースした。その成果を、運用中の QCD データ共有システムの JLDG
で活用するための準備をすすめた。
【高性能並列数値計算に関する研究】(1) 並列高速フーリエ変換（FFT）の高速化手法に関する研究（高橋）科学技術計算で広く用いられている並列高速フーリエ変換（FFT）の性能を改善する
ために、高速化手法に関する研究を行った。並列一次元 FFT をポストペタスケール計
算環境で実行する際に、どのようなアルゴリズムが望ましいかについて検討を行った。
その結果、「京」における並列一次元 FFT では、これまでに提案されていた三次元表現
よりも、二次元表現を再帰的に適用して計算することで、キャッシュヒット率をさらに向上させることができることが分かった。
並列一次元 FFT においては、全体に関わる性能パラメータとして、全対全通信方式と基底、そしてブロックサイズが存在するが、これらについて最適なパラメータを自動的にチューニングする機構をソフトウェアで実現した。その結果、並列一次元 FFT に
おいて実行時間の多くを占めている全対全通信に要する時間を大幅に削減することに
成功した。

150

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書「京」における並列一次元 FFT の性能
図4

HA-PACS における並列一次元 FFT の性能

高性能 FFT の性能評価(2) Block Krylov 部分空間反復法に関する研究（多田野）
複数本の右辺ベクトルをもつ連立一次方程式を高速・高精度に解くための Block
Krylov 部分空間反復法の研究を行った。Block Krylov 部分空間反復法では、右辺ベク
トル数が増加すると数値的に不安定な状況に陥り、残差の発散や停滞を引き起こす。この数値的不安定性は、反復過程でベクトルの正規直交化を行うことで緩和されるが、多くの演算量を要する。
本研究では、正規直交化の実行を動的に判断するアルゴリズムを構築し、Block
Krylov 部分空間反復法の高速化を図った。格子 QCD 計算で現れる連立一次方程式（行列サイズ：1, 572, 864, 右辺ベクトル数：12）に対して実験を行った。その結果、Block
BiCGGRRO 法に本アルゴリズムを適用することで、従来法である Modified Block
BiCGSTAB 法よりも高速かつ安定に高精度近似解を生成できることが分かった。

1974.3 1939.1
1556.0 1476.7

1694.8151

No convergence

1900.7

No convergence

No convergence

No convergence

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(a) Block BiCGGRRO 法 。

(b) Modified Block

BiCGSTAB 法。
図 5 正規直交化の実行回数削減による Block Krylov 部分空間反復解法の計算時間変化■：行列ベクトル積、 ■：正規直交化、 ■：その他。

【エネルギー利用最適化に関する研究】(佐藤、児玉)NEDO グリーン IT プロジェクト「エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発／データセンタのモデル設計と総合評価」（平成 20 年度から平成 24 年度）において、サーバシステムの評価指標に関する研究を行っている。本年度は、GreenSLA策定のための定量的評価について SEPCWeb を用いて精緻化するとともに、最終年度
としてのまとめを行った。SPECWeb の評価では、QoS の評価がベンチマーク内に組み込 ま れ て い る と と も に 、 サ ー バ 負 荷 を 変 化 さ せ て そ の 電 力 あ た り の 性 能 (PPW:
Performance per Watt)を評価することが可能となっている。その結果、サーバ負荷が100％でない場合には、その負荷に応じた性能に落としつつ省エネルギー運用を行うことにより PPW を向上させることが可能であることを明らかにした。これらの結果をもとに Green SLA の有効性の評価を行った。サーバの運用側は Green SLA の範囲で省エネ運用を行うことにより、電力キャップなどに柔軟に対応することが可能になる。一方、ユーザ側は一定の性能低下を許容する代わりに、料金や一時的なリソースの追加などの特典を省エネ運用のインセンティブとして得ることができると考えられる。
【LES 気象コードの並列 GPU 化に関する研究】（朴、塙）計算科学研究センター地球環境研究部門の日下准教授らのチームとの共同研究により都市規模の気象に関する Large Eddy Simulation (LES)コードの並列 GPU 化を進めた。同研究部門では地域レベルの気象シミュレーションとして、都市モデルを対象とした LES 計算の研究を進めており、昨年度よりこれらの開発コードの GPU 化を進めている。
152平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

昨年度の研究では、LES コードを CUDA 化したが、今年度の研究では日下グループのコード変更に柔軟に対応するために、Fortran コードをベースとし、PGI CUDA
Fortran コンパイラで GPU 対応するという方針でコード移植を行った。コード全体中、単純なドメイン分割となっていない BiCGSTAB 法による行列計算以外の部分を完全に
GPU 化し、基本的に全てのデータを GPU 内メモリに閉じ込め、カーネル関数呼び出
しと I/O のオーバヘッドを最小化した。その結果、HA-PACS ベースクラスタのノード
当たり 4GPU のメモリを最大限利用したケースで、CPU のみ（ノード当たり 16 core）
を使った場合に比べ、GPU（ノード当たり 4 台）を使った場合では、関数に応じて 4.3〜4.7 倍の高速化が得られた。しかし、BiCGSTAB 法計算は全体計算の約 30%を占めるため、コード全体での加速は 1.3 倍程度に留まった。今後、この部分も完全 GPU 化
し、さらに最適化を施して性能を改善していく予定である。
【核融合シミュレーションコードの並列 GPU 化に関する研究】（朴）G8 多国間共同研究の一環として、日本原子力研究開発機構及び米国プリンストン大学との共同研究により、次世代核融合シミュレーションコードの並列 GPU 化を行った。
前者においては「京」等で開発中の GT5D コードを、後者においては BG/Q 等で開発中の GTC-P コードを対象とする。
GT5D コードについては、PGI CUDA Fortran を用いて HA-PACS ベースクラスタへの移植を行い、全体の約 9 割のコードを GPU 化し、データに関しては全てを GPU メモリに保持するようにコードを作成した。各関数についての性能チューニングが不十分なことと、一部関数については GPU 化が完了していないため、現時点では HA-PACS の同数ノードの CPU のみを利用した場合に比べ 2 倍程度の速度向上に留まっており、今後改善して行きたい。
GTC-P コードについては G8 プロジェクト内で並列記述言語 XcalableMP (XMP)の応用例としてコーディングを進めており、逐次版コードを XMP で一旦記述し、その後でXMP-dev 拡張を行って GPU 化する予定である。今年度については XMP 化の基本方針と予備評価を行った。G8 プロジェクト最終年度である次年度で XMP/XMP-dev 化を完了する予定である。
【ディペンダブルシステムのためのテストツール】（佐藤，塙）(1) クラウドを用いたディペンダブルな並列分散システムのためのテスト支援環境
D-Cloud
これまで，JST-CREST「実用化を目指した組込みシステム用ディペンダブル・オペ
レーティングシステム」研究領域において，我々は並列分散テスト環境 D-Cloud を開発してきた．高い信頼性確保のためには異なる入力による網羅的なテスト実行やハード153平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ウェア故障に対する耐故障性のテストなど様々なテストが必要で，それらを実行するには非常に時間と手間がかかる．D-Cloud ではフォルトインジェクション可能な仮想マシンを用いて仮想デバイスレベルでの故障についてのテストが可能であるだけでなく，物理マシン群，および仮想マシンをクラウドとして管理することにより、多くの計算資源を柔軟に利用することができ，多くのケースについてのテスト作業を自動化することができる環境を提供する．同時に，東大石川チームと共同で，各種の定量的なディペンダ
ビリティ指標のシステマティックな計測を支援することを目的に、ディペンダビリティ
計測ツール群 DS-Bench Toolset を開発してきた．ハードウェア異常、ソフトウェアバ
グ、過負荷、人的ミスといった様々な異常を系統立てて扱うことによって、大規模なシ
ステムテストを実現し、多くのテストパターンを用いた複雑なテストを加速することができる．さらに、システムのディペンダビリティについてステークホルダとの間で議論するための D-Case Editor と連携することができる
今年度は，我々の開発した D-Cloud に関する研究成果，および DS-Bench のシステ
ムテスト環境として統合を行った DS-Bench Toolset の研究成果について発表を行った．
4.

1.

外部資金の獲得状況

文部科学省・将来の HPCI システムのあり方の調査研究「演算加速機構を持つ将
来の HPCI システムに関する調査研究」H24 年度 32,148 千円（代表：佐藤三久）

2.

文部科学省，科学技術試験研究委託事業，「HPCI 共通運用システムの整備（共用ストレージソフトウェア整備）」， H24 年度，73,700 千円（業務主任者佐藤三久，
担当責任者建部修見）

3.

JST CREST 研究領域「ポストペタスケール高性能計算に資するシステムソフトウ
ェア技術の創出」，「ポストペタスケールデータインテンシブサイエンスのためのシステムソフトウェア」，H23 年度〜H27 年度，241,941 千円（代表：建部修見）

4.

JST CREST 研究領域「ポストペタスケール高性能計算に資するシステムソフトウ
ェア技術の創出」，「ポストペタスケール時代に向けた演算加速機構・通信機構統合環境の研究開発」，H24〜H29 年度，312,380 千円（代表：朴泰祐）

5.

JST CREST 研究領域「ポストペタスケール高性能計算に資するシステムソフトウ
ェア技術の創出」，「数値計算ライブラリによる超並列複合システムの階層的抽象化に関する研究 H24〜26 年度

6.

15,132 千円（H24）（共同研究者：高橋大介）

日仏戦略プログラム「ポストペタスケールコンピューティングのためのプログラ
ミング言語拡張および数値計算アルゴリズム、性能評価、大規模データ管理技術」、
H22〜H24 年度 11,000 千円（代表：佐藤三久）

7.

NEDO「グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト(グリーン IT
プロジェクト)/エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発/データセ154平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ンタのモデル設計」H20〜H24 年度 3,780 千円（代表：佐藤三久）
8.

日本学術振興会・多国間国際研究協力事業「ECS：エクサスケール・コンピュー
ティングによる精緻な気候シミュレーションの実現」H23〜H25 年度 11,200 千円（代表：佐藤三久）

9.

日本学術振興会・多国間国際研究協力事業「NuFuSE：エクサスケール・コンピューティングにおける核融合シミュレーション」H23〜H25 年度 25,920 千円（代表：朴泰祐）

10. 科学研究費補助金

若手研究 (B)「複数右辺項をもつ連立一次方程式の高速・高精度求解法の開発と科学技術計算への応用」780 千円（代表：多田野寛人）
11. 科学研究費補助金

基盤研究 (B)「有限節点法・境界節点法の完全メッシュレス化とその工学的応用」195 千円（分担：多田野寛人）
12. 科学研究費補助金

若手研究 (B)「複数右辺項をもつ連立一次方程式の高速・高精度求解法の開発と科学技術計算への応用」780 千円（代表：高橋大介）
13. 科学研究費補助金

基盤研究 (B)「有限節点法・境界節点法の完全メッシュレス化とその工学的応用」195 千円（分担：高橋大介）
14. 科学研究費補助金

基盤研究 (C)「エクサスケール計算環境に向けた高速フーリエ変換のアルゴリズムに関する研究」H24〜26 年度

1,560 千円（H24）
（代表：高

橋大介）
15. 科学研究費補助金

新学術領域研究（研究領域提案型）「大規模並列環境における数値計算アルゴリズム」H22〜26 年度
5.

3,900 千円（H24）（分担：高橋大介）

研究業績（１）研究論文
1.

Adnan, M. Sato, “Dynamic Multiple Work Stealing Strategy for Flexible Load Balancing”,
IEICE Transactions 95-D(6): 1565-1576 (2012)

2.

A. Hori, J. Lee, M. Sato, “Audit: A new synchronization API for the GET/PUT protocol”,
J. Parallel Distrib. Comput. 72(11): 1464-1470 (2012)3.

椋木大地, 高橋大介, “GPUにおける3倍・4倍精度浮動小数点演算の実現と性能評価,”
情報処理学会論文誌 コンピューティングシステム, Vol. 6, No. 1, pp. 66―77, 2013.

4.

M. Naito, H. Tadano, T. Sakurai, “A modified Block IDR(s) method for computing highaccuracy solutions”, JSIAM Letters, Vol. 4, pp. 25-28, 2012.

5.

合田 憲人, 東田学, 坂根栄作, 天野浩文, 小林克志, 棟朝雅晴, 江川隆輔, 建部修見, 鴨志田良和, 滝澤真一朗, 永井亨, 岩下武史, 石川裕,

“高性能分散計算環境のための認証基盤の設計”, 論文誌コンピューティングシステム(ACS), 情報処理学会, No.5, Vol.5, pp.90-102, 2012155

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

6.

Y. Kodama, S. Itoh, T. Shimizu, S. Sekiguchi, H. Nakamura and N. Mori, “Imbalance ofCPU temperatures in a blade system and its impact for power consumption of fans”,
Journal of Cluster Computing, Springer, Vol.16, No.1, pp.27-37, 2013.

（２）学会発表（A）招待講演1.

M. Sato, " The next step for Post-Petascale Computing in Japan", HPC in Asia Workshop,
ISC 2012, June 2012.

2.

T. Boku, “HA-PACS Project: Challenge for Next Step of Accelerating Computing”,
ATIP/A*CRC Workshop, Singapore, May 2012.

3.

T. Boku, “HA-PACS: Next Step for Scientific Frontier by Accelerated Computing”, GTC
Japan 2012, Tokyo, July 2012.

4.

T. Boku, “HPC Trend in Asia”, HPC in China Workshop (ISC2012), Hamburg, June 2012.

5.

D. Takahashi, “Automatic Tuning for Parallel FFTs”, 2013 Conference on Advanced
Topics and Auto Tuning in High Performance and Scientific Computing (2013@^2HPSC),
National Taiwan University, Taipei, Taiwan, March 28, 2013.

6.

D. Takahashi, “Automatic Tuning for Parallel FFTs on Clusters of Multi-Core Processors”,
Special Session: Auto-Tuning for Multicore and GPU (ATMG) (held in conjunction withIEEE MCSoC-12), The University of Aizu, Aizu, Japan, September 22, 2012.

7.

O. Tatebe, “File System for Post-Petascale Data-Intensive Computing”, International
Supercomputing Conference, 20128.

朴 泰祐, “「京」をはじめとする最先端スーパーコンピュータの動向”, 核融合エネ
ルギー連合講演会2012, 2012年6月.

9.

多田野 寛人, “複数右辺ベクトルをもつ連立一次方程式の数値解法と並列固有値計算への応用”, 第5回日本数式処理学会理論分科会＆システム分科会合同研究会,
2012.

10. 児玉祐悦, “FPGA の応用事例～並列計算機とネットワーク～, ” 電子情報通信学

会リコンフィギャラブルシステム研究会, 2012.
11. 塙 敏博, “FPGAによる Tightly Coupled Accelerators向け通信機構の実現”，
次世代 RHW 創造研究会 (JACORN2012), 2012．
（B）その他の学会発表（査読付）
1. M. Nakao, J. Lee, T. Boku, M. Sato, “Productivity and Performance of Global-View
Programming with XcalableMP PGAS Language”, CCGRID 2012: 402-409, 2012.
2. M. Tsuji, M. Sato, A. S. Tanabe, Y. Inagaki, T. Hashimoto, “An asynchronous parallel156

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

genetic algorithm for the maximum likelihood phylogenetic tree search”, IEEE Congress on
Evolutionary Computation 2012: 1-8, 2012.
3. T. Abe, M. Sato, “On-the-Fly Synchronization Checking for Interactive Programming in
XcalableMP”, Proc. of P2S2 (with ICPP 2012), 29-37, 2012.
4. H. Yoshizawa and D. Takahashi, “Automatic Tuning of Sparse Matrix-Vector Multiplication
for CRS format on GPUs”, Proc. 2012 IEEE 15th International Conference on
Computational Science and Engineering (CSE 2012), pp. 130―136 (2012).
5. D. Takahashi, “An Implementation of Parallel 2-D FFT Using Intel AVX Instructions on
Multi-Core Processors”, Proc. 12th International Conference on Algorithms andArchitectures for Parallel Processing (ICA3PP 2012), Part II, Lecture Notes in Computer
Science, No. 7440, pp. 197―205, Springer-Verlag (2012).
6. D. Takahashi, A. Uno and M. Yokokawa, “An Implementation of Parallel 1-D FFT on the K
computer”, Proc. 2012 IEEE 14th International Conference on High Performance
Computing and Communications (HPCC-2012), pp. 344―350 (2012).
7. Y. Miki, D. Takahashi and M. Mori, “A Fast Implementation and Performance Analysis ofCollisionless N-body Code Based on GPGPU”, Proc. International Conference on
Computational Science (ICCS 2012), Procedia Computer Science, Vol. 9, pp. 96―105,
Elsevier (2012).
8. T. Nomizu, D. Takahashi, J. Lee, T. Boku and M. Sato, “Implementation of XcalableMP
Device Acceleration Extention with OpenCL”, Proc. 2012 IEEE 26th International Paralleland Distributed Processing Symposium Workshops & PhD Forum (IPDPSW 2012),
Multicore and GPU Programming Models, Languages and Compilers Workshop (PLC2012), pp. 2394―2403 (2012).
9. D. Mukunoki and D. Takahashi, “Implementation and Evaluation of Triple Precision BLAS
Subroutines on GPUs”, Proc. 2012 IEEE 26th International Parallel and Distributed
Processing Symposium Workshops & PhD Forum (IPDPSW 2012), The 13th Workshop on
Parallel and Distributed Scientific and Engineering Computing (PDSEC-12), pp.
1378―1386 (2012).
10. D. Mukunoki and D. Takahashi, “Performance Comparison of Double, Triple andQuadruple Precision Real and Complex BLAS Subroutines on GPUs”, Proc. ATIP/A*CRC
Workshop on Accelerator Technologies for High-Performance Computing: Does Asia Leadthe Way? (ATIP/A*CRC Workshop '12), pp. 788―790 (2012).
11. T. Odajima, T. Boku, T. Hanawa, J. Lee, M. Sato, "GPU/CPU Work-Sharing with Parallel
Language XcalableMP-dev for Parallelized Accelerated Computing", Proc. of P2S2-2012(with ICPP2012), Pittsburgh, CD-ROM, 2012.
157

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

12. L.Du, T. Sakurai, H. Tadano, M. Naito, “IDR(s) for linear systems with multiple shifts andmultiple right-hand sides”, The 8th East Asia SIAM Conference (EASIAM2012), 2012.
13. T. Sakurai, Y. Futamura, L. Du, H. Tadano, “A hierarchical parallel implementation of acontour integral-based eigensolver on Trilinos”, SIAM Conference on Computational
Science and Engineering, 2013.
14. Masahiro Tanaka, Osamu Tatebe, “Workflow Scheduling to Minimize Data Movement
using Multi-constraint Graph Partitioning”, Proceedings of IEEE/ACM International
Symposium on Cluster, Cloud and Grid Computing (CCGrid), pp.65-72, doi:
10.1109/CCGrid.2012.134, 201215. Shun Ishiguro, Jun Murakami, Yoshihiro Oyama and Osamu Tatebe, “Optimizing Local File
Accesses for FUSE-Based Distributed Storage”,

Proceedings of the international

workshop on data-intensive scalable computing systems, 2012.
16. H. Fujita, Y. Matsuno, T. Hanawa, M. Sato, S. Kato, and Y. Ishikawa, "DS-Bench Toolset:
Tools for Dependability Benchmarking with Simulation and Assurance," 42nd IEEE/IFIP
International Conference on Dependable Systems and Networks (DSN 2012), 8 pages, Jun.
2012.
17. 佐藤佳州, 高橋大介, “大規模な対局に基づいた教師データの重要度の学習”, 第 17
回ゲームプログラミングワークショップ, pp. 22―29 (2012).
18. 合田憲人, 東田学, 坂根栄作, 天野浩文, 小林克志, 棟朝雅晴, 江川隆輔, 建部修見,
鴨志田良和, 滝澤真一朗, 永井亨, 岩下武史, 石川裕, “高性能分散計算環境のための認証基盤の設計”, 先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS2012 論文集,
pp.227-236, 201219. 扇谷 豪, 三木 洋平, 朴 泰祐, 森 正夫, 中里 直人, “重力多体系用 Tree Code の並列
GPU 化による計算加速”, 2013 年ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム HPCS2013 論文集, 2013.
20. 鷹津冬将, 建部修見, “ログ構造化ファイルシステム mylfs の設計と初期評価”, 先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS2012 ポスター発表, 2012.
21. 小田嶋 哲哉，李 珍泌，朴 泰祐，佐藤 三久, “XMP-dev に基づく CPU/GPU ハイブ
リッド負荷分散システム”, 先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS2012 ポス
ター発表, 2012.
22. 鷹津冬将 , 平賀弘平 , 建部修見 , Gabriel Antoniu, “広域分散ファイルシステ ム
Blobseer-wan/HGMDS の設計と初期評価”, 2013 年ハイパフォーマンスコンピューテ
ィングと計算科学シンポジウム HPCS2013 ポスター発表, 2013.
23. 藤田 典久，奴賀 秀男，朴 泰祐，井戸村 泰宏, “GPU クラスタにおける核融合シミュレーションコードの実装”, 2013 年ハイパフォーマンスコンピューティングと計158

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

算科学シンポジウム HPCS2013 ポスター発表, 2013.
（C）その他の学会発表（査読無）1.

椋木大地, 高橋大介：GPU における高速な CRS 形式疎行列ベクトル積の実装, 情報処理学会研究報告, 2013-HPC-138, No. 5 (2013).

2.

椋木大地, 高橋大介：GPU における 4 倍精度演算を用いた疎行列反復解法の実装と評価, 情報処理学会研究報告, 2012-ARC-202, 2012-HPC-137, No. 37 (2012).

3.

三木洋平, 高橋大介, 森正夫：大規模 GPU クラスタにおける N 体計算コードの演
算性能とスケーラビリティの評価, 情報処理学会研究報告, 2012-HPC-136, No. 1(2012).

4.

高橋大介：ポストペタスケール計算環境に向けた並列 FFT の自動チューニング, 日本応用数理学会 2012 年度年会講演予稿集, pp. 285―286 (2012).

5.

吉澤大樹, 高橋大介：GPU における CRS 形式疎行列ベクトル積の自動チューニン
グ, 情報処理学会研究報告, 2012-HPC-135, No. 31 (2012).

6.

高橋大介：並列 FFT における自動チューニング, 計算工学講演会論文集, Vol. 17,
E-7-2 (2012).

7.

内藤 理大, 多田野 寛人, 櫻井 鉄也, Block IDR(s)法における残差停滞の回避法について, 日本応用数理学会 2012 年度年会, pp. 89-90, 2012.

8.

多田野 寛人, 櫻井 鉄也, 偽収束を回避する Block Krylov 部分空間反復法の安定化と計算量削減について, 日本応用数理学会 2012 年度年会, pp. 287-288, 2012.

9.

今倉 暁, 杜 磊, 多田野 寛人, 複数右辺ベクトルを持つ線形方程式に対するWeighted Block GMRES 法, 日本応用数理学会「行列・固有値問題の解法とその応用」研究部会 第 14 回研究会, 2012.

10. 田中昌宏, 建部修見, 大規模ワークフローに対応した Pwrake システムの設計と実装, 情報処理学会研究報告, 2012-HPC-135(14), pp.1-7, 2012
11. 大西健太, 建部修見, 冗長符号を用いたサーバマシン間でのデータ分散手法の検討, 情報処理学会研究報告, 2012-HPC-135(22), pp.1-7, 201212. 鷹津冬将, 建部修見, 高速なストレージに適したログ構造化ファイルシステム
MyLFS の設計と評価, 情報処理学会研究報告, 2012-HPC-135(27), pp.1-7, 2012
13. 平賀弘平, 建部修見, ノンブロッキングトランザクションに基づく分散ファイル
システムのための分散メタデータサーバの設計と実装, 情報処理学会研究報告,2012-HPC-135(28), pp.1-9, 201214. 大辻弘貴, 建部修見, Infiniband を用いたファイルアクセスの高速化, 情報処理学会
研究報告, 2012-HPC-135(29), pp.1-6, 201215. 大辻弘貴, 建部修見, RDMA による低オーバヘッドファイルアクセスと冗長記録,
159平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

情報処理学会研究報告, 2012-HPC-137(29), pp.1-6, 201216. 鷹津冬将 , 平賀弘平 , 建部修見 , Gabriel Antoniu, 広域分散ファイルシステム
BlobSeer-wan/HGMDS の設計と評価.情報処理学会研究報告, 2013-HPC-138(22),pp.1-7, 201317. 梅田 宏明, 塙 敏博, 庄司 光男, 朴 泰祐, "分子軌道計算の GPGPU 化に向けた行
列加算手法の提案", 2013-HPC-138, 2013.
18. 藤田 典久, 奴賀 秀男, 朴 泰祐, 井戸村 泰宏, "GPU クラスタにおける核融合シミュレーションコードの実装", 2013-HPC-138, 2013.
19. 小田嶋 哲哉, 李 珍泌, 朴 泰祐, 佐藤 三久, 塙 敏博, 児玉 祐悦, RaymondNamyst, Samuel Thibault, Olivier Aumage, "GPU クラスタ向け並列言語 XMP-dev における GPU/CPU 協調計算", 2013-HPC-138, 2013.
20. 塙敏博, 児玉祐悦, 朴泰祐, 佐藤三久, "Tightly Coupled Accelerators アーキテクチャ
向け通信機構の予備評価", 2012-ARC-202(13), pp.1-8, 2012.
21. 藤田典久, 奴賀秀男, 朴泰祐, 井戸村泰宏, "核融合シミュレーションコードの GPU
クラスタ向け最適化", 2012-HPC-135, 2012.
22. 小田嶋哲哉, 李珍泌, 朴泰祐, 佐藤三久, 塙敏博, 児玉祐悦, Raymond Namyst,
Samuel Thibault, Olivier Aumage, "GPU クラスタにおける GPU/CPU ハイブリッド・
プログラミング環境", 2012-HPC-135, 2012.
23. 扇谷豪, 三木洋平, 朴泰祐, 森正夫, 中里直人, "重力多体系用 Tree Code の並列 GPU化", 2012-HPC-135, 2012.
24. 塙敏博, 児玉祐悦, 朴泰祐, 佐藤三久, "Tightly Coupled Accelerators アーキテクチャのための通信機構", 2012-ARC-193, 2012.
25. 金子紘也, 塙敏博, 児玉祐悦, 朴泰祐, 佐藤三久, "PCI EXPRESS ネットワーク
PEARL における耐故障機構", 2012-ARC-193, 2012.
(D) 著書1.

佐藤三久 他（共著）: スーパーコンピュータ (岩波講座 計算科学 別巻)

2.

T. Hanawa, M. Sato 他（共著）, “D-Cloud: Software Testing Environment for Dependable
Distributed Systems Using Cloud Computing Technology”, Software Testing in the Cloud,Perspectives on an Emerging Discipline, Scott Tilley, Tauhida Parveen (Editors), IGI
Global, ISBN 9781466625365, pp. 340-356, Nov. 2012.

3.

T. Hanawa 他（共著）, “Dependability Test Support Tools”, Open Systems Dependability-- Dependability Engineering for Ever-Changing Systems, Mario Tokoro (Editor), CRC
Press, ISBN 978-1-4665-7751-0, pp.112-123, Nov. 2012.

4.

T. Boku, T. Hanawa, Y. Kodama, M. Sato 他（共著）, “Contemporary High Performance160平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Computing: From Petascale Toward Exascale”, J. Vetter (Editor), CRC Press, ISBN
1466568348, 9781466568341, 2013.
6.

異分野間連携・国際連携等

1. 戦略的国際科学技術協力推進事業（日仏共同研究）「ポストペタスケールコンピュー
ティングのためのフレームワークとプログラミング」（佐藤）
2. 多国間国際研究協力事業 G8 Research Councils Initiative “Nuclear Fusion Simulation
for Exascale” 日本代表 PI（朴）3. 多国間国際研究協力事業 G8 Research Councils Initiative “Exascale Climate Simulation”
日本代表 PI（佐藤）
7.

国際活動

1.

佐藤三久: エジンバラ大学交流連絡交流責任者

2.

T. Boku: Program Committee, 2012 International Workshop on High Performance
Power-Aware Computing (HP-PAC2012)3.

T. Boku: Program Committee, IEEE/ACM International Conference for High Performance
Computing, Networking, Storage and Analysis (SC12)

4.

T. Boku: Program Committee, 2012 International Workshop on Partioned Global Address
Space (PGAS2012)5.

T. Boku: Program Committee, 2012 Interantional Conference on High Performance
Computing (HiPC2012)

6.

T. Boku: Program Committee, 2012 International Workshop on Large Scale Parallel
Processing (LSPP2012)

7.

T. Boku: Program Committee, 2012 IFIP International Conference on Network andParallel Computing (NPC2012)8.

T. Boku: Program Committee, 2012 Internation Workshop on Parallel Programming
Models and System Software for High-End Computing (P2S2-2012)

9.

T. Boku: Scientific Committee, 10th International Meeting on High-Performance
Computing for Computational Science (VECPAR 2012)

10. T. Boku: Program Committee, 2012 International Symposium on Cluster, Cloud and Grid
Computing (CCGrid2012)
11. T. Boku: Program Committee, 2012 International Workshop on Communication
Architecture for Scalable Systems (CASS2012)
12. T. Boku: Program Committee, 2012 International Parallel and Distributed Processing
Symposium (IPDPS2012)161平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

13. Y. Kodama: Program Committee, CoolChips 2012
14. D. Takahashi: Program Committee, 14th IEEE International Conference on High
Performance Computing and Communications (HPCC-2012)
15. D. Takahashi: Program Committee, 11th IEEE/ACM International Conference on
Ubiquitous Computing and Communications (IUCC 2012)
16. D. Takahashi: Program Committee, 2012 International Conference on Computational
Science (ICCS 2012)
17. O. Tatebe: Editorial Board, International Journal of Computational Science andEngineering (IJCSE)
18. O. Tatebe: Co-chair, Open Grid Forum (OGF) Grid File System WG (GFS-WG)
19. O. Tatebe: Program Committee, IEEE/ACM International Conference for High
Performance Computing, Networking, Storage and Analysis (SC12)
20. O. Tatebe: Program Committee, 4th IEEE International Conference on Cloud Computing
Technology and Science (CloudCom 2012)
21. O. Tatebe: Program Committee, The 41st International Conference on Parallel Processing(ICPP)
22. O. Tatebe: Co-organizer, 4rd Workshop on Interfaces and Architectures for Scientific Data
Storage (IASDS)
23. O. Tatebe: Program Committee, The Sixth International Conference on Complex,
Intelligent, and Software Intensive Systems (CISIS-2012)
24. O. Tatebe: Program Committee, International Workshop on Data-Intensive Distributed
Computing (DIDC'12)
25. O. Tatebe: Program Committee, First Workshop on Big Data Management in Clouds
26. O. Tatebe: Scientific Committee, 10th International Meeting on High-Performance
Computing for Computational Science (VECPAR 2012)
8.

教育・学位論文（博士課程）
1.

Adnan, 博士（工学）, Study on EfficientWork Stealing Based

Execution of

Parallel Programs for MulticoreProcessors, 筑波大学大学院システム情報工学研
究科博士論文，2013 年 3 月（指導：佐藤三久）・ 学位論文（修士課程）
1.

藤田典久, 修士（工学）, GPU クラスタにおける核融合シミュレーションコードの開発，筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年 3 月（指導：朴162

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書泰祐）
2.

扇谷豪, 修士（工学）, 計算宇宙物理のための GPU クラスタ向け並列 Tree Codeの開発と性能評価，筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年 3月（指導：朴泰祐）

3.

小田嶋哲哉, 修士（工学）, GPU クラスタ向け並列言語 XMP-dev における
GPU/CPU 協調計算，筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年
3 月（指導：朴泰祐）

4.

金子拡也, 修士（工学）, PCI Express ネットワーク PEARL における耐故障・省電力支援機構，筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年 3 月（指導：朴泰祐）

5.

野水拓馬, 修士（工学）, 並列言語 XcalableMP の OpenCL 実装とその最適化, 筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年 3 月（指導：高橋大介）

6.

吉澤大樹, 修士（工学）, GPU における CRS 形式疎行列ベクトル積の自動チュー
ニング，筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年 3 月（指導：
高橋大介）

7.

三木洋平, 修士（工学）, 直接法に基づく無衝突系向け N 体計算コードの GPU 実
装と性能評価，筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年 3 月（指導：高橋大介）8.

大辻弘貴, 修士（工学），高速・高信頼なネットワークファイルアクセスに関する研究，筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年 3 月（指導：建
部修見）

9.

大西健太, 修士（工学），冗長符号を用いたノード間のデータの冗長化に関する研究，筑波大学大学院システム情報工学研究科修士論文，2013 年 3 月（指導：建部
修見）

・ 学外教育1.

佐藤三久：神戸大学システム情報学研究科・客員教授
9.

社会貢献

1.

佐藤三久: PC クラスターコンソーシアム 理事 XMP 規格部会会長

2.

佐藤三久: グリッド協議会 理事

3.

佐藤三久: 情報処理学会フェロー 2013/06 情報処理学会 フェロー4.

朴泰祐： 先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS 運営委員会委員

5.

朴泰祐： 情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューティング研究会運営委員

6.

児玉祐悦: 情報処理学会

ＡＣＳ論文誌163

編集委員

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

7.

児玉祐悦: 情報処理学会

デジタルプラクティス査読委員

8.

児玉祐悦: 情報処理学会

計算機アーキテクチャ研究会運営委員

9.

児玉祐悦: 電子情報通信学会

リコンフィギャラブルシステム研究専門委員

10. 建部修見: 情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム HPCS2013 実行委員
11. インターネットカンファレンス 2012 プログラム委員
12. 建部修見: 先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS2012 プログラム委員
13. 建部修見: 情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューティング研究会運営委員
14. 多田野寛人: 日本応用数理学会「行列・固有値問題の解法とその応用」研究部会

幹事
15. 多田野寛人: 日本応用数理学会「若手の会」研究部会

運営委員

16. 多田野寛人: 日本応用数理学会「応用数理」編集委員
17. 多田野寛人: 情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム HPCS2012 プログラム委員
18. 多田野寛人: 先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS2012 プログラム委員
10. その他

1.

T. Boku: Organizing Chair, 2012 International Workshop on HPC in Asia at ISC20122.

筑波大学計算科学研究センター・HPC サマーセミナー開催

164平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

VII. 計算情報学研究部門
VII-1. データ基盤分野
1.

メンバー

教授

北川 博之

准教授

天笠

俊之

講師

川島

英之

2.

概要

e サイエンスにおいて，大規模データの管理や活用は極めて重要な課題となっている．
計算情報学研究部門データ基盤分野は，データ工学関連分野の研究開発を担当している．
具体的には，異種データベースや多様な情報源を統合的に扱うための情報統合基盤技術，
データ中に埋もれた知識や規則を発見するためのデータマイニング・知識発見技術，イ
ンターネット環境において様々なデータを統一的に扱うための XML 関連技術の研究を継続して行った．また，センター内の地球環境研究部門や素粒子物理研究部門，産業技術総合研究所，JAXA と連携して，計算科学の各分野における応用的な研究を推進した．
3.

研究成果

【１】 情報統合基盤技術（主な研究費：科研費基盤研究（C），受託研究費（KDDI 研究所，三菱電機））
分散した異種情報源を統合的に扱うための基盤技術・システム・応用の研究開発を行った．特に，ストリーム処理基盤の高信頼化技術，プライバシーを保護したストリーム処
理技術を中心に研究開発を行なうとともに，ストリーム処理基盤の応用として，ストリーム処理基盤を利用したパケットストリームに対する異常検知手法の実現に関する研究開発を行なった．
（１） 高信頼化ストリーム処理（北川，川島）［C8, P3, P9］
発展的なデータストリーム処理では，継続的に実行されるクエリからデータベースやクラス分類器をはじめとする様々な外部リソースが参照される．継続的クエリは長時間にわたり実行されるため，クエリの実行期間中に参照する外部リソースが他のシステムによって更新され，クエリの処理結果に不整合が生じうるという問題があった．この問題を解決するため，継続的クエリ内でのリソース参照を外部リソースに対する連続的な参照トランザクションとして実行するトランザクショナルデータストリーム処理が近年提案されている．トランザ
165平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

クショナルデータストリーム処理では処理結果の不整合を防ぐためにオペレー
タの再実行処理がおこなわれ，性能低下の要因となる．本研究では，オペレー
タの再実行回数がオペレータの実行順序に依存することを明らかにし，オペレ
ータスケジューリングへ制約を付与することでオペレータの再実行回数を削減する方式を提案した．さらに実験により，オペレータスケジューリングに提案する制約を付与した場合，オペレータの再実行回数が削減され性能向上がみられることを示した．
（２） プライバシーを保護したストリーム処理（川島，北川）［C7, P12］
近年，増大しつつあるストリームデータを処理する基盤システムとして，ストリーム処理エンジン（SPE）が開発されている．数千～数万のストリーム情報源
に対して処理を行うためには，SPE には非常に高い演算処理能力が要求される．
このような処理の実行にはパブリッククラウドなどの分散並列処理基盤を用いることが有効であると考えられる．しかし，パブリッククラウドは一般に組織のファイアウォールの外側で第三者により管理されるため，パブリッククラウ
ド上の情報に対して機密性を保持することができない．これに対し我々は，安全性を考慮したスト
リームデータ処理の実現を目的
として暗号化ストリームデータ
処理方式の研究を行っている．本
年度は，暗号化ストリームデータ
処理においてクエリ実行を停止

図 1: 暗号化ストリーム処理システム

することなく効率的に暗号化鍵を更新するための手法を提案した．
（３） パケットストリームに対する異常検知手法の実現（川島，北川）［P6, P18］
ストリームデータの一種であるパケットストリームに対して複数の異常検知手法を適用する場合を考える．この場合，各検知手法を効率的にサポートする必要があり，ストリーム処理システムへの検知手法の組み込みは有力な方法であると考えられる．本研究では，我々の研究室で開発しているストリーム処理シ166

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ステム SS*に，異常検知手法である Change Point Detection（CPD）を実現する手法について検討した．特に，複数のパラメータ設定の異なる CPD を効率的に実行するために，CPD の一部処理を共有化する技法を提案し，その有効性を実験により検証した．
【２】 データマイニング・知識発見技術（主な研究費：科研費基盤研究（A），基盤研究（C），若手研究（B），受託研究費（富士通研究所））（１） 不確実データに対する外れ値検出（北川）［C2, P2, P7］
データや応用の多様化や，各種センサデバイスの発達に伴い，不確実性を伴う
データ処理に対する要求が高まっている．例えば，GPS による位置情報には，本質的に誤差が含まれており，その誤差を考慮した処理が求められる．一方，
通常のデータからは著しく異なるデータ（外れ値）を検出する外れ値検出がさ
まざまな応用で利用されている．不確実データに対して外れ値検出を行う場合，データの不確実性を考慮した上で検出処理を行うことが望ましい．本研究では，
ガウス分布に従う不確実性を持つデータに対する距離に基づく外れ値検出手法を提案した．ガウス分布に対する距離計算には多大な計算コストが伴うため，
セルベースの枝刈り手法を提案し，その有効性を実験により示した．
（２） Twitter リストを用いたユーザのトピック推定（北川，天笠）［J3］
Twitter 上ではユーザが情報源となり，自らの興味や嗜好に基づいて情報を発信している．Twitter の普及に伴い，膨大な情報の中から有用な情報を発見したいという要求が高まりつつある．有用な情報を発見するには，各ユーザがどのようなトピックに関する情報を発信する傾向にあるかを知ることが重要であると考えられる．そこで本研究では，Twitter の機能であるリストを用いてユーザにタグを付けることによって，そのユーザが発信する情報のトピックを推定する手法を提案した．リストとは誰でも自由に作成し，共有できるユーザのリストである．リストに含まれるユーザ群は互いに関連を持ち，リストの名前がその関連を表すため，それを用いてユーザのタグ付けを行う手法を提案し，その有効性を実験によって評価した．
（３） GPU を用いた不確実トランザクションデータに対する確率的頻出アイテム集合
マイニング（天笠，北川）［C6, P10］167

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

不確実性を含む大量のデータの処理のために，不確実データベースの研究が広く行なわれている．不確実データベースに対して，頻出アイテム集合マイニン
グを行なう手法がいくつか提案されているが，処理速度が遅いという問題がある．一方，GPU (Graphics Processing Unit) を用いた GPGPU (General
Purpose computation on GPU)という手法が，高性能計算の分野で注目されている．GPGPU は，元々はグラフィック処理のための演算装置である GPU を，
その高い並列度をいかして汎用的な計算に利用するものである．本研究では，
GPGPU を用いた不確実データベースに対する頻出アイテム集合マイニングの高速化のための手法を提案した．具体的には，GPU 上で不確実トランザクショ
ンデータを表現するデータ構造を検討するとともに，GPU のメモリ階層を意識したアルゴリズムを開発した．実験による評価によって，提案手法の有効性を評価した．
【３】 XML・Web プログラミング（主な研究費：科研費基盤研究（A），科研費若手研究（B））
メタデータ記述の枠組みである RDF（Resource Description Framework）の処理効率か関する研究，RDF に基づく公開データの枠組みである LOD（Linked Open Data）
に対するオンライン分析処理等に関する研究を行った．以下では，主なものについて述
べる．
（１） RDF データ処理の効率化（天笠，北川）［J2］
RDF データベースでは，RDF スキーマによって記述されたスキーマ情報に基づいて推論規則を適用する処理が必要であるが，大規模な RDF データを扱う場合，推論処理に多大な処理コストが必要となる．このため，事前に推論規則を適用
した結果をキャッシュしておく手法が用いられるが，この場合，推論の結果得られるデータが膨大となり，空間コストを圧迫することが多い．この問題に対応するため，本研究では RDF Packages と呼ばれる，RDF データのよりコンパ
クトな表現方法を提案した．これは，同じ性質を持つデータをパッケージとしてまとめて表現することで，元のデータと等価でかつ空間コストの低い RDF データの表現が可能となる．実データおよび人工データにより提案手法の有効性を評価した．
（２） LOD データに対するオンライン分析処理のための ETL フレームワーク（天笠，北川）［P15］Linked Open Data（LOD）とは，相互に関連付けられたデータを公開するための枠組みであり，近年政府統計や科学データなどをはじめ，多くのデータが公168

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

開されている．LOD データには，数値およびテキストが含まれているデータも多く存在し，これらのデータに対する既存の OLAP システムを用いた分析処理が強く求められている．このため本研究では，LOD を OLAP 分析のための多次元モデルに変換する ETL フレームワークを提案した．我々が提案するフレーム
ワークは他の関連する手法と異なり，処理対象の LOD データが特定の RDF 語彙によって記述されていることを前提とせず，任意のデータを処理することが特徴である．分析対象とするデータセット内のリソース間の関係，内存する階
層構造，および外部のリソースを用いて多次元モデルとその概念階層を導出す
る．実データを使ったケーススタディにより，提案手法の有効性を示した．
【４】科学分野におけるデータベース応用（主な研究費：科研費基盤研究（A），科研費若手研究（B））（１） GPV/JMA アーカイブ（天笠，北川）
地球環境研究部門と共同で，気象庁気象予報データベース「GPV/JMA アーカイブ」(http://gpvjma.ccs.hpcc.jp)の開発，および管理，運用を行っている．GPV/JMA アーカイ
ブは，気象庁が公開している気象予報グリッドデータ（GPV データ）を蓄積するとともに，外部登録ユーザへのデータを提供することを目的としている．GPV/JMA アーカイブで提図 2：GPV/JMA アーカイブ供しているデータは，全球モデル，メソスケ
ールモデル，リージョナルスケールモデル，週間アンサンブル，月間アンサンブル，季間アンサンブルの 6 種類である．
（２）大規模衛星センサデータからのイベント検出（川島，北川）［P13］
近年，人工衛星などから地球表面付近を観測するリモートセンシング技術が注目されている．この技術により，広範囲の観測に加え，人が行きにくい危険な場所の観測などができるようになった．観測データを活用するため，様々な研究プロジェクトが行われている．その一つに産業技術総合研究所が運用する GEO Grid がある．このプロジェ
クトではグリッド技術を用いて，地球観測衛星データの大規模アーカイブ・高度処理シ
ステムの開発を行っている．GEO Grid で扱うデータには，TIR（Thermal Infrared
Radiometer）と呼ばれる熱放射輝度に関するデータがある．TIR を用いれば，ホットスポット，すなわち火山噴火，山焼き等，熱を放出する場所を検出できる可能性がある．
本研究では，頻度を用いて TIR データからホットスポットを検出する技法を提案し，同技法の従来技法に対する優位性を示すとともに，検出結果例を示した．
（３）格子 QCD データグリッド JLDG/ILDG（天笠，北川）169

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

Japan Lattice Data Grid (JLDG), International Lattice Data Grid (ILDG)は，格子
QCD 配位データを共有するためのデータグリッドである．素粒子物理研究部門と連解
し，JLDG/ILDG の運営に継続参画している．
（４）X 線天体観測データにおけるアウトバーストの類似検索（天笠，北川）
ブラックホール，中性子星などは X 線を発する天体として知られており，それらの天体には，短期間に大量の X 線を放出する「アウトバースト」という現象が存在する
ことが知られている．また，JAXA 宇宙研海老沢教授らのグループにより，異なる X
線天体の間で，アウトバーストの X 線強度変化に類似性が見られることが近年明らかにされた．これは，背後にある物理過程の類似性を示す可能性があり興味深い．このため，海老沢教授らのグループと共同で，X 線天体の観測データを対象に，類似したアウ
トバーストパターンを検索する手法を研究開発している．
1. 受賞、外部資金、知的財産権等受賞
A1. 学生プレゼンテーション賞，山口 祐人, 伊川 洋平, 天笠 俊之, 北川 博之, "ソーシャルストリームからのイベント検出とユーザ位置推定の統合", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2013), A5-2, 2013年 3 月 3 日～3 月 5 日.
A2. 学生プレゼンテーション賞，小山田 昌史, 川島 英之, 北川 博之, "オペレータ
スケジューリングへの制約付与によるトランザクショナルデータストリーム処理の効率化", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム((DEIM 2013), E1-4,2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
A3. 学生プレゼンテーション賞，Chongjie LI, Toshiyuki AMAGASA, Hiroyuki
KITAGAWA, Gautam SRIVASTAVA, "An Improved Label-bag based Graph
Anonymization based on Utility", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2013), E4-3, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
A4. 学生プレゼンテーション賞，坂倉 悠太, 山口 祐人, 天笠 俊之, 北川 博之, "局所計算に基づく ObjectRank 推定", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2013), E9-4, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
A5. 学生奨励賞, トラン ヴァン ディエン, 天笠 俊之, 北川 博之, "天体物理学文献データベース ADS からの情報抽出", 情報処理学会第 75 回全国大会 (IPSJ
全国大会 2013), 4P-3, 2013 年 3 月 6 日～3 月 8 日.
4.

外部資金

研究種目：産総研基盤研究（A）

2013 年 5 月～2014 年 3 月

研究課題：大規模・異種の時空間データ統合で生じる矛盾を許容するサイエンスク
170

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

ラウド基盤
研究分担者：北川博之
配分金額：2,080,000 円(直接経費：1,600,000 円

間接経費：480,000 円)

研究分担者：天笠俊之
配分金額：1,950,000 円(直接経費：1,500,000 円

間接経費：450,000 円)

研究分担者：川島英之
配分金額：1,950,000 円(直接経費：1,500,000 円
研究種目：基盤研究（C）

間接経費：450,000 円)

2012 年 5 月～2015 年 3 月

研究課題：リアルタイム事象検知基盤に関する研究研究代表者：川島英之
配分金額：2,340,000 円 (直接経費：1,800,000 円, 間接経費：540,000 円)
研究種目：若手研究（B）

2011 年 5 月～2012 年 3 月

研究課題：オンライン分析によるＸＭＬストリームからの知識発見研究代表者：天笠俊之
配分金額：1,950,000 円 (直接経費：1,500,000 円, 間接経費：450,000 円)
受託経費：三菱電機株式会社

2012 年 7 月～2013 年 3 月

研究課題：多様化構造情報統合・分析技術の研究開発
研究担当者：北川博之
配分金額：500,000 円(直接経費：450,000 円
受託経費：株式会社富士通研究所

間接経費：50,000 円)

2012 年 7 月～2013 年 3 月

研究課題：時系列データの分析基盤技術の研究
研究担当者：北川博之・天笠俊之
配分金額：2,000,000 円(直接経費：1,700,000 円
受託経費：株式会社 KDDI 研究所

間接経費：300,000 円)

2012 年 8 月～2013 年 3 月

研究課題：ストリームデータ分析プラットフォームに関する研究研究担当者：北川博之・川島英之
配分金額：1,000,000 円(直接経費：909,090 円

間接経費：90,910 円)

受託経費：株式会社トヨタ IT 研究開発センター

2012 年 9 月～2013 年 3 月

研究課題：車両データ管理システムに関する研究
171平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

研究担当者：川島英之
配分金額：2,100,000 円(直接経費：1,910,000 円
受託経費：情報通信研究機構

間接経費：19,0000 円)

2012 年 9 月～2013 年 3 月

研究課題：新世代ネットワークを支えるネットワーク仮想化基盤技術の研究開発
研究担当者：川島英之
配分金額：4,389,000 円(直接経費：3,990,000 円

間接経費：39,9000 円)（名称、氏名、代表・分担の別、採択年度、金額、課題名）
知的財産権（種別、氏名、課題名、年月日）
5.

研究業績

(1) 研究論文
A) 査読付き論文
学術雑誌論文J1. Takahiro Komamizu, Toshiyuki Amagasa, and Hiroyuki Kitagawa, "Faceted
Navigation Framework for XML Data", International Journal of Web
Information Systems (IJWIS), Volume 8, Issue 4, pp.348-370, 2012.
J2. Shohei Ohsawa, Toshiyuki Amagasa, and Hiroyuki Kitagawa, "RDF Packages:
A Scheme for Efficient Reasoning and Querying over Large-Scale RDF Data",
International Journal of Web Information Systems (IJWIS), Volume 8, Issue 2,
pp. 212-233, 2012.
J3. Yuto Yamaguchi, Toshiyuki Amagasa, and Hiroyuki Kitagawa, "Tagging users
based on Twitter lists", Int. J. Web Engineering and Technology (IJWET), Vol.
7, No. 3, pp.273-298, 2012-08-01.
J4. 石田 慎一，原島 真吾，鯉渕 道紘，川島 英之，西 宏章, "トラヒックからアプリ
ケーションレイヤ情報の検索・抽出を可能とするソフトウェアの実装と評価", ソフ
トウェア科学会論文誌, Vol. 29, No. 3, pp.59-73, 2012-11-01.
J5.

Yasin

Oge,

Takefumi

Miyoshi,

Hideyuki

Kawashima,

andTsutomu

Yoshinaga, "Design and Implementation of a Handshake Join Architecture on
FPGA", IEICE Trans. on Information and Systems, Vol. E95-D, No. 12, pp.
2919-2927, 2012-12-01.
B) 査読無し論文(2) 国際会議発表
A) 招待講演172

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書B) 一般講演
国際会議論文C1. Jianquan Liu, Hanxiong Chen, Kazutaka Furuse, and Hiroyuki Kitagawa, "An
Efficient Algorithm for Arbitrary Reverse Furthest Neighbor Queries", Proc.
14th Asia-Pacific Web Conference (APWeb), Kunming, China, pp. 60-72, April
11-13, 2012.
C2. Salman Shaikh and Hiroyuki Kitagawa, "Distance-based Outlier Detection on
Uncertain Data of Gaussian Distribution", Proc. 14th Asia-Pacific Web
Conference (APWeb), Kunming, China, pp. 109-121, April 11-13, 2012.
C3. Yuta Sakakura, Toshiyuki Amagasa, and Hiroyuki Kitagawa, "Detecting Social
Bookmark Spams using Multiple User Accounts", Proc. 1st International
Workshop of Social Knowledge Discovery and Utilization (SKDU'12), Istanbul,
Turkey, pp. 1185-1190, August 26-29, 2012.
C4. Takahiro Komamizu, Mariko Kamie, Kazuhiro Fukui, Toshiyuki Amagasa, andHiroyuki

Kitagawa, "A

SchemeofFragment-based

Faceted

Image

Search", Proc. 23rd International Conference on Database and Expert Systems
Applications (DEXA 2012), Vienna, Austria, pp. 450-457, Sep. 3-7, 2012.
C5.

Yasin

Oge,

Takefumi

Miyoshi,

Hideyuki

Kawashima,

andTsutomu

Yoshinaga, "Design and Implementation of a Merging Network Architecture forHandshake Join Operator on FPGA" Proc. 6th IEEE International Symposiumon Embedded Multicore SoCs (MCSoC-12), Aizu-Wakamatsu, Japan, pp.
84-91, September 20-22, 2012.
C6. Yusuke Kozawa,

Toshiyuki Amagasa, and Hiroyuki Kitagawa, "GPU

Acceleration of Probabilistic Frequent Itemset Mining from Uncertain
Databases", Proc. 21st ACM International Conference on Information andKnowledge Management (CIKM 2012), Maui, Hawaii, pp. 892-901, October 29 November 2, 2012.
C7. Katsuhiro Tomiyama, Hideyuki Kawashima, and Hiroyuki Kitagawa, "A
Security aware Stream Data Processing Scheme on the Cloud and its Efficient
Execution Methods", Proc. Fourth International Workshop on Cloud DataManagement (CloudDB'12), Maui, Hawaii, pp. 59-66, October 29, 2012.
C8. Masafumi Oyamada, Hideyuki Kawashima, and Hiroyuki Kitagawa,"Continuous Query Processing with Concurrency Control: Reading Updatable
Resources Consistently", Proc. 28th ACM Symposium on Applied Computing(SAC 2013), Coimbra, Portugal, pp. 788-794, March 18-22, 2013.
173平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(3) 国内学会・研究会発表
A) 招待講演B) その他の発表
学会発表
P1. Katsuhiro Tomiyama, Hideyuki Kawashima, Hiroyuki Kitagawa, "A Security
aware

StreamData

Processing

Schemewith

Encryption", The

4thInternational Workshop with Mentors on Databases, Web and Information
Management for Young Researchers (iDB2012), Nagoya, Japan, July 31 August 1, 2012.
P2. Salman Ahmed Shaikh, Hiroyuki Kitagawa, "Distance-based Outlier Detection
on Uncertain Data of Bounded Gaussian Distribution", The 4th International
Workshop with Mentors on Databases, Web and Information Management for
Young Researchers (iDB2012), Nagoya, Japan, July 31 - August 1, 2012.
P3. 小山田昌史，川島英之，北川博之, "トランザクショナルなストリームデータ処理の実現方式", 信学技報, vol. 112, no. 172, DE2012-21, pp. 29-34, 2012 年 8 月 1 日～
8 月 2 日.
P4. 坂倉悠太，天笠俊之，北川博之, "複数のユーザアカウントを用いたソーシャルブッ
クマークスパムの検出", 第 154 回 DBS・第 107 回 IFAT 合同研究発表会, 2012 年
8 月 1 日～8 月 2 日.
P5. 村上直，天笠俊之，北川博之, "概念モデルに基づく柔軟な O/R マッピングを実現するフレームワーク DBPowder の提案", 第 154 回 DBS・第 107 回 IFAT 合同研究
発表会, 2012 年 8 月 1 日～8 月 2 日.
P6. 大桶真宏，川島英之，北川博之, "ストリーム処理システムを用いたマルウェア検知
基盤システム", マルウェア対策研究人材育成ワークショップ 2012 (MWS2012),
2012 年 10 月 30 日～11 月 1 日.
P7. Salman Ahmed SHAIKH and Hiroyuki KITAGAWA, "Top-k Distance-based
Outlier Detection on Uncertain Dataset", 第 5 回データ工学と情報マネジメント
に関するフォーラム (DEIM 2013), A8-1, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P8. 山口 祐人, 伊川 洋平, 天笠 俊之, 北川 博之, "ソーシャルストリームからのイベント検出とユーザ位置推定の統合", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2013), A5-2, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P9. 小山田 昌史, 川島 英之, 北川 博之, "オペレータスケジューリングへの制約付与によるトランザクショナルデータストリーム処理の効率化", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2013), E1-4, 2013 年 3 月 3 日～3
月 5 日.
174

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

P10. 小澤 佑介, 天笠 俊之, 北川 博之, "複数 GPU による確率的頻出アイテム集合マ
イニングの高速化", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム(DEIM 2013), A8-2, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P11. 高橋 毅, 天笠 俊之, 北川 博之, "評価値の時系列変化に着目したユーザレビューの分析",第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2013),
D10-4, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P12. 冨山 克裕, 川島 英之, 北川 博之, "暗号化ストリームデータ処理における効率的な暗号化鍵更新手法", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム(DEIM 2013), E1-1, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P13. 郭 恒超, 川島 英之, 北川 博之, "イベントの出現頻度を考慮した衛星データからのホットスポット抽出", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラ
ム (DEIM 2013), D4-5, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P14. Chongjie LI, Toshiyuki AMAGASA, Hiroyuki KITAGAWA, Gautam
SRIVASTAVA, "An Improved Label-bag based Graph Anonymization based on
Utility", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2013),
E4-3, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P15. 井上 寛之, 天笠 俊之, 北川 博之, "LOD の OLAP 分析を可能にする ETL フレー
ムワークの提案", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム(DEIM 2013), B2-3, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P16. 坂倉 悠太, 山口 祐人, 天笠 俊之, 北川 博之, "局所計算に基づく ObjectRank 推
定", 第 5 回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2013),
E9-4, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P17. 中村 高士, 早瀬 康裕, 北川 博之, "ソフトウェアプロダクト間に存在する
Logical Coupling を用いた変更箇所の推薦", 第 5 回データ工学と情報マネジメン
トに関するフォーラム (DEIM 2013), B8-3, 2013 年 3 月 3 日～3 月 5 日.
P18. 大桶 真宏, 川島 英之, 北川 博之, "ストリーム処理システムにおける時系列異常検出手法の共有計算技法", 情報処理学会第 75 回全国大会 (IPSJ 全国大会 2013),
1P-3, 2013 年 3 月 6 日～3 月 8 日.
P19. 片岡 えり, 天笠 俊之, 北川 博之, "EPUBCFI を用いた読書関連情報の管理と検索", 情報処理学会第 75 回全国大会 (IPSJ 全国大会 2013), 5N-6, 2013 年 3 月 6 日～3 月 8 日.
P20. 中挾 晃介, 天笠 俊之, 北川 博之, "JavaScript 処理系における LINQ を用いた
NoSQL ストレージに対する問合せ処理", 情報処理学会第 75 回全国大会 (IPSJ 全
国大会 2013), 2N-5, 2013 年 3 月 6 日～3 月 8 日.

175

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

P21. トラン ヴァン ディエン, 天笠 俊之, 北川 博之, "天体物理学文献データベース
ADS からの情報抽出", 情報処理学会第 75 回全国大会 (IPSJ 全国大会 2013), 4P-3,
2013 年 3 月 6 日～3 月 8 日.
6.

管理・運営

組織運営や支援業務の委員・役員の実績
北川博之教授

大学院システム情報工学研究科コンピュータサイエンス専攻長

システム情報系情報工学域長



文部科学省・特別経費「大規模情報コンテンツ時代の高度 ICT 専門職業人育成」
取組責任者



文部科学省・情報技術人材育成のための実践教育ネットワーク形成事業「分野・地域を越えた実践的情報教育協働 NW」 ビジネスアプリケーション分野代表
7.

社会貢献・国際貢献

北川博之教授

国際学会委員等


国際ジャーナル編集委員：IEEE Transactions on Knowledge and Data
Engineering, World Wide Web Journal, Journal of Web Engineering

国際会議運営委員：DASFAA Steering Committee

国際会議共同委員長：WAIM2013



国際会議共同最優秀論文委員長：DASFAA2013



国際会議プログラム委員会委員：DASFAA2013, CoopIS2012, DEXA2012,
MDM2013, PAKDD2013



国内学会委員等


日本学術会議連携会員



日本データベース学会副会長

天笠俊之准教授


国際学会委員等


国際学会プログラム委員長：SKDU2012



国際学会プログラム委員： DEMoC2012, IDEAS2012, SCA2012, iiWAS2012,
SITIS2012, AINA2012, DASFAA2013, APWeb2013, WAIM2013



国内学会委員等176

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書



情報処理学会論文誌データベース（TOD）副編集委員長



電子情報通信学会論文誌データ工学と情報マネジメント特集号編集委員



データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム（DEIM フォーラム）2013
プログラム副委員長



情報科学技術フォーラム（FIT）2013 プログラム委員

川島英之講師


国際学会委員等


国際学会プログラム委員：SC’13 external reviewer, Future Generation
Computing System reviewer, Information Systems reviewer.



国内学会委員等


電子情報通信学会査読委員、情報処理学会論文誌査読委員

177

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

VII-2 計算メディア分野
1.

メンバー

教授

大田 友一

准教授

亀田 能成、北原 格

学生

大学院生

2.

18 名、学類生

6名

概要

当グループが属する計算情報学研究部門は、「中長期的観点から計算科学の研究を抜本的に発展させる斬新な方法の開拓研究を行う部門」として、2004 年度から新しく発足した部門
であり、人間社会とその環境を主な対象とする新しい計算科学の枠組みを創成し、その基盤を確立することを目標として研究活動を推進している。
人間社会を対象とする計算科学では、人間を系に含むために、計算処理の都合で時間軸を自由に変更することが出来ない。グローバルに拡がる人間社会とそれを取り巻く環境（生活空間や都市環境など）を対象として、人間の時間軸（すなわち、リアルタイム）に沿って膨大な情報を処理し、実観測データとシミュレーション結果の融合情報を、人間に分かり易い形で提示し人間社会へフィードバックするためには、実世界計算情報学と呼ぶべき新しい枠組みが必要となる。
具体的には、“実世界の情報をセンシングする機能”、“膨大な情報を処理する潤沢な計算機能”、“情報を選択・蓄積する大規模データベース機能”を、コンピュータネットワーク上で融合することにより大規模知能情報メディアを構築し、そのバックボーン上で、先端的要素技術の研究開発と、ニーズに密着した応用システムの研究開発を並行して進めている。
研究成果は、研究論文や学会発表だけでなく、イノベーション・ジャパン-大学見本市において、2005 年から継続的に出展や技術説明会を開催するなど、広報活動にも努めてきた。
【1】自由視点映像を用いた選手視点映像生成： 多視点でのサッカー試合観測をもとに、臨場感ある自由視点映像を生成するために、選手情報抽出のための新しい映像処理や自由視点の誘導方法などを提案した。
【2】マルチタッチインタフェースを用いた自由視点操作方式：マルチタッチインタフ
ェースを有する携帯型端末を用いて、自由視点映像を撮影する仮想カメラの位置・姿勢の直感的な制御を実現することを目的とした研究開発。
（主な研究費：共同研究経費（大田） 2007～2011 年度、科研費若手研究Ａ（北原） 2009～2011 年度）【3】監視カメラ映像を活用した歩行者のための視覚支援：屋外に設置された環境カメ
ラの記録映像から、過去の移動物体の行動を複合現実感技術を用いて提示し、現場にい178

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

る閲覧者が、時空間に展開する移動物体の行動を一覧して把握できる新しい提示手法を提案した。（主な研究費：科研費基盤研究Ｂ（亀田）2011-2012 年度）【4】インタビュー対象者の心理的変動を計測するための基盤技術：対面型のインタビ
ューにおいて、対象者のインタビューにおける反応を、詳細・精密に計測するための新
しい方法論を確立し実現した。また、そのうちの高速度撮影映像での解析から、従来は得られなかったマイクロエクスプレッションの時間的遷移が推定可能であることを示した。（主な研究費：学振ＤＣ２（センヤ）2011-2012 年度）【5】複合現実感を用いた照明設計支援システム：複合現実感と仮想模型の特徴を活用
して、多様な機材操作に関する高度なノウハウを要する照明設計を幅広いユーザ層が実施可能になることを目的とした研究開発。
（主な研究費：科研費挑戦的萌芽研究（北原）2010～2012 年度）【6】動画像上での複合現実感を用いた壁紙シミュレーションシステム：ユーザインタ
ラクションを活用した領域分割手法により、手持ちのビデオカメラで撮影した映像シー
ケンス中の壁紙領域を分割し、仮想壁紙データと置き換えることで、様々な壁紙の張り替えを簡易にシミュレーション可能にするシステムの実現。（主な研究費：科研費若手研究Ａ（北原）2006～2008 年度）

3.

研究成果

【1】自由視点映像を用いた選手視点映像生成（大田、亀田、北原）
国立スポーツ科学センターとの共同研究として、総務省戦略的情報通信研究開発推進
制度（SCOPE）による特定領域重点型研究開発「ネットワークによる自由視点映像のライブ配信とインタラクティブ提示」（研究代表者 大田友一）を 2004 年度から 2006年度の 3 年間に渡り実施した。以降も、日本電気株式会社との共同研究などを通じて、サッカースポーツを題材に研究を進めている。本節では、多視点でのサッカー試合観測をもとに、選手情報抽出のための新しい映像処理と、より臨場感ある自由視点映像生成の研究について報告する。

179平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(1a) 自由視点映像技術を用いて選手視点映像を生成するために必要な選手軌跡の獲得に、従来はノイズとして除去されてきた影領域を活用する手法を提案する。選手位置の推定を細かな形状ではなく、領域の主軸を用いて行うことで低解像度画像からの位置推定を可能にし、ユニフォーム色によるチーム分類を行うことで誤追跡を削減する。国立霞ヶ丘競技場（図 1）において、実際のサッカーの試合を撮影した映像を用いて選手追跡実験を行い、提案手法の有効性を示した。 図 2 は影領域を利用して選手位置を正確に求めている様子を示している。

図 1: サッカーフィールド撮影の一例

図 2: 影を利用した正確な選手位置推定（左：２地点からの撮影を解析して選手位置を求めている様子。
右：推定されて選手位置をサッカーフィールド直上からの視点でプロットした結果。）(1b) 見やすさと臨場感を両立させた映像を提示するため、歩行・走行時のエゴモー
ション感の再現と、ボールの可視状況に応じた視線方向の切り替え提示を提案する。人間の歩行・走行時の視点移動を解析し、その移動感（エゴモーション感）を適切に再現した選手視点映像を生成・提示することにより、見やすさを損なわず、かつ、視聴者が選手の運動を感じられる一人称視点映像らしい映像を提示する。その際の最適なエゴモーション感の再現手法について、主観評価実験によって検証した。また、ボールの可視180平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

状況に応じて、視線のボールに対する遅延・先行を切り替え提示する、新しい映像提示方法を実現した。図 3 はエゴモーション感を再現するために実験で取得した、歩行・走行時の頭部の搖動解析の一例である。

図 3: 歩行・走行時の頭部の上下動、左右動、前後動、ロールの解析【2】マルチタッチインタフェースを用いた自由視点操作方式（大田、亀田、北原）
国立スポーツ科学センターとの共同研究として、総務省戦略的情報通信研究開発推進
制度（SCOPE）による特定領域重点型研究開発「ネットワークによる自由視点映像のライブ配信とインタラクティブ提示」（研究代表者 大田友一）を 2004 年度から 2006年度の 3 年間に渡り実施した。以降も、日本電気株式会社との共同研究や、2009 年度
からは科研費若手研究Ａ「閲覧者中心型自由視点映像コンテンツ生成技術」として、研究開発を継続している。
本研究では、図 4 に示すタブレット PC を用いたマルチタッチ操作による自由視点
映像閲覧インタフェースを提案する。タブレット PC の主要な入力手段であるマルチタ
ッチ操作に注目し、この操作の最大の利点である直感的入力の特性を活用し、３次元空間を自由に動き回る仮想を簡易に操作可能なインタフェースの実現を目的としている。
我々は、様々なマルチタッチ入力と仮想カメラ操作の組み合わせを検討し、主観評価実験により、それらの中から最適な組み合わせを抽出し、図 5 に示す、マルチタッチイン
タフェースを用いた推奨操作として定義することに成功している。その結果に基づいた
図 6 に示す自由視点映像閲覧システムを実装し、その有効性に関する実証実験を実施した。

181平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 4: マルチタッチインタフェースを用いた自由視点操
作方式

図 5: マルチタッチインタフェースを用いた推奨操作

図 6: タブレット PC を用いた自由視点映像配信システ182

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書【3】監視カメラ映像を活用した歩行者のための視覚支援（大田、亀田、北原）
我々は、2006 年度～2009 年度の科学研究費補助金・基盤研究Ａ「シースルービジョ
ン:監視カメラ映像を活用する歩行者のための視覚支援方式の開発」（研究代表者 大田友一）の頃から研究をすでに開始し、2011 年度～2014 年度の科学研究費補助金・基盤
研究Ｂ「環境カメラ群映像の安心かつ効率的見える化の為の時空間解析と複合現実感的可視化」（研究代表者 亀田能成）に一部の支援を得て研究を進めている。
本年度は、屋外に設置された環境カメラの記録映像から、過去の移動物体の行動を複合
現実感技術を用いて提示し、現場にいる閲覧者が、時空間に展開する移動物体の行動を一覧して把握できる新しい提示手法を提案した。
屋外に設置された環境カメラで記録された移動物体の行動記録を、複合現実感型提示によって一覧性よく可視化することが本研究の目標である。移動物体の行動は、シーン中
での時空間的軌跡とその振る舞いによって定義できる。本研究では、移動物体の進行方向を理解できるような軌跡の提示方法と、移動物体の振る舞いを現在の複合現実空間の可視化視野内に一覧性よく提示する方法とを提案した。移動物体の進行方向を明示化するために、どのような色と形状の組み合わせが有効か、被験者実験により検証した（図7）。狭い利用者視野内に、事前に撮影されていた歩行者の様子を複合現実感的に可視化するために、その映像再生に見かけ上の重なりを抑制し、かつ再生の連続性を担保できる条件を定義し、それに従って可視化する手法を提案した（図 8）。

図 7: 利用者視点映像における事前に撮影されていた歩行者軌跡の可視化（左：色による進行方向の明示、
右：形状パターンによる進行方向の明示）

183平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 8: 利用者視点映像における事前に撮影されていた歩行者像の複数並列再生【4】インタビュー対象者の心理的変動を計測するための基盤技術（亀田）
対面型のインタビューにおいて、対象者のインタビューにおける反応を、詳細・精密に計測するための新しい方法論を確立し実現した。また、そのうちの高速度撮影映像での解析から、従来は得られなかったマイクロエクスプレッションの時間的遷移が推定可能であることを示した。
本研究では図 9 に示すように、右側の審査官が左側の対象者を調べている状況を想定している。審査官では通常気付けない微細な表面的変化をとらえるため、高速度撮影カ
メラ、サーマルカメラ、モーショントラッカ、音声マイク等からの情報をミリ秒単位の時間分解能で同期記録できるシステムを開発した（図 10）。対象者に与えられる刺激の提示も同じくミリ秒オーダーで記録しているため、今後、本研究基盤によって、精神生理学における人間解析が進むものと期待されている。なお、本研究基盤によって得られたマルチモーダルデータセットは一般公開に向けて現在準備中である。

184

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 9: 想定するインタビュー状況

Interviewee
Mic。
LightsMonitorCamerasInterviewer

図 10: マルチセンサリーインタビュー記録システム【5】複合現実感を用いた照明設計支援システム（大田、北原）2010 年度から 2012 年度の 3 年間の計画で、科学研究費補助金・挑戦的萌芽研究「複合現実感技術を利用した境界知の探索による臨場感を表現する情報量の圧縮」（研究代表者 北原格）を実施した。
本研究では、図 11 に示すように、バーチャルリアリティ（VR）と複合現実感（MR）
を活用して、従来の舞台照明の演出計画支援における問題を解決し、舞台照明の演出計画を支援する方式を提案した。また、実際に構築した試作システムを用いて提案手法の有効性を確認した。特に、学生アマチュア団体が学園祭などの特設イベントにおいて照明演出計画を行う場合、経験や知識のレベルが異なるユーザによる共同作業や、リハー
サル時の機材不足など、本方式による支援が有効に機能することが確認された。バーチャルジオラマを用いた照明計画支援については、個々人が思い描いている舞台照明演出
が、図 12 に示すバーチャルジオラマにおいて可視化されることにより、円滑なコミュ
ニケーションが可能になることが確認された(図 13)。図 14 に示す MR 提示を用いた舞台照明演出計画支援については、仮想照明によりリハーサルの際に不足している照明機器を補えることが確認されている。

185

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

2.5
2

評価値

1.5
1
0.5
0
伝達度

アイディア

配置

入力

-0.5
-1

質問

図 13: バーチャルジオラマの有効性に関する主観評
図 11: バーチャルジオラマと MR 提示を用いた照明演

価実験の結果出計画支援方式①客席

図 12: バーチャルジオラマを用いた舞台照明演出計

図 14: MR 提示を用いた舞台照明演出の支援

画支援法

舞台照明の演出計画支援方式としての実用性を確認するため、図 15 に示すように、日常的に照明演出を行っているユーザを対象として、バーチャルジオラマを用いた照明
演出計画シミュレーションから、MR 提示を用いた照明計画の確認（リハーサル）、実
照明を用いた本番までの一連の作業を実施し、提案方式の課題を指摘してもらった。まず、バーチャルジオラマを用いた照明演出計画シミュレーションにおいて、CG モデルの精度が仮想照明の品質に影響を与える点に関連して、CAD モデルが存在しない舞台においてもシミュレーションの品質を維持するためには、舞台の CG モデルを簡易かつ正確に生成する手法を準備する必要があることが指摘された。また、自調光卓を用いた照明操作を可能とするためには、スライダを用いた手動照明操作だけでなく、パターンの繰り返し設定などの人工的な照明操作への対応が必要であることが指摘された。さらに、MR 提示を用いた照明演出の確認においては、空気遠近法やスモークによる照明ボケを考慮した高品質な仮想照明効果の再現が求められている。また、リアリティの追求
186平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書とは別に、アノテーション表示など、リハーサルを円滑に実施するインタフェース機能の追加に関する要望もあった。今後は、これらの指摘項目に対応することにより、提案
方式の実用性の向上を目指す。

図 15: バーチャルジオラマ（仮想模型）を用いた舞台照明演出計画支援システム操作の様子【6】動画像上での複合現実感を用いた壁紙シミュレーションシステム（大田、北原）2006 年度から 2008 年度の 3 年間の計画で、科学研究費補助金・若手研究Ａ「被写体のプライバシを考慮したモバイルカメラによる高自由度映像監視技術に関する研究」（研究代表者 北原格）を実施した。以降も、科研費若手研究Ａ「閲覧者中心型自由視
点映像コンテンツ生成技術」の基盤技術の一部として、研究開発を継続している。
本研究では、図 16 に示す、手持ちカメラで取得したフリーハンド映像上で、複合現実感を用いて壁紙を変更する手法を提案する。手持ちカメラで部屋を見渡したような映像から壁領域を抽出し、そこに CG の壁紙を重畳提示することにより見た目を変更する。
高品質な複合現実感を実現するためには、特殊機材や複雑な手順を要するケースが一般的であるが、我々は、図 17 に示すように、ユーザから入力された情報を利用することにより、簡易な機材構成の計測精度を補い、高品質な複合現実感を実現するアプローチ
を提案している。具体的には、映像から壁領域を抽出する処理において、ユーザが壁紙領域を指定し、その情報を利用した領域分割処理により CG 壁紙の重畳精度を高めることに成功している。本手法によれば、一般家庭やオフィスにおいて手軽に撮影した映像を用いて、複合現実型壁紙シミュレーションが実現可能になる。
187

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

図 16: 複合現実型壁紙変更シミュレーション

図 17: ユーザから入力された情報の利用による高品
質な複合現実感の実現

188平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

4.

教育

学生の指導状況（学生氏名、学位の種類、論文名）
ポリコウスキセンヤ

セミオン、博士（工学）、インタビューシナリオにおける精神生理学的解析のためのマイクロエクスプレ
ッション検出と複数センサによるデータセット獲得の研究
上田将司、修士（工学）、

フリーハンド映像から切り出した壁領域に対する複合現実型壁紙シュミレーシ
ョン
柏熊 淳也、修士（工学）、
自由視点映像を対象としたマルチタッチ入力による仮想カメラ操作
宍戸

英彦、修士（工学）、

モーションブラーを活用したバドミントンのシャトル追跡手法
清水 諒、修士（工学）、昼間の映像を用いて遠方の景観を表現した複合現実型の夜間映像提示
田邊 健、修士（工学）、
ウィンドシールドディスプレイを用いた駐車場状況の鏡像提示
西川 康之、修士（工学）、
複合現実感を用いたカメラトラッキング支援手法
山桐 靖史、修士（工学）、
身体動作を用いた自由視点映像閲覧インタフェースの検討
厚見

彰吾、学士（工学）、

空間解像度の異なる多視点画像から復元した三次元モデルの統合手法
金川

祐貴、学士（工学）、
189

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

道路監視カメラ映像における局所特徴量を用いた車両軌跡推定
河内

駿、学士（工学）、

携帯情報端末に装着した２台のカメラを用い端末画面の透明化処理雫

泰裕、学士（工学）、

複合現実感を用いた発話内容と会話方向の可視化手法
中筋

啓允、学士（工学）、

選手視点映像を用いたサッカー選手のポジショニング支援李

云、学士（工学）、RGB-D カメラでの動作撮影におけるシーン中の静止情報に着目した拡張三次元映像の獲得

集中講義などなし

5.

受賞、外部資金、知的財産権等受賞（賞の名称、受賞者名、タイトル、年月日）
第 16 回パターン認識・マルチメディア理解アルゴリズムコンテスト審査員特別賞、宍戸 英彦・鳥屋 剛毅・鈴木 友規・江夏 寛朗・李 云、書き手の個性を反映した文
字テンプレートの合成による筆跡鑑定手法、2012 年 9 月 4 日
2011 年度日本バーチャルリアリティ学会 SIG-MR 賞（受賞は 2012 年度）、
林 将之・北原 格・亀田 能成・大田 友一、 “AR/MR デモンストレーショの再現性を保証するソフトウェア環境の構築－Casper Cartridge プロジェクト－”、2012
年 9 月 27 日

190

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

外部資金（名称、氏名、代表・分担の別、採択年度、金額、課題名）
科学研究費助成事業（基盤研究（Ｂ））、亀田能成（研究代表者）・大田友一・北原格、２０１１年度、２,４７０,０００円（２０１２年度分）、環境カメラ群映像の安心かつ効率的見える化の為の時空間解析と複合現実感的可視化
科学研究費助成事業（挑戦的萌芽）、北原格（研究代表者）、２０１０年度、９１
０,０００円（２０１２年度分）、複合現実感技術を利用した境界知の探索による臨場感を表現する情報量の圧縮
共同研究（日本電気株式会社）、大田友一（代表者）・亀田能成・北原格、２０１
２年度、７３５,０００円、自由視点映像生成の研究

知的財産権（種別、氏名、課題名、年月日）
なし

6.

研究業績

(9) 研究論文

A) 査読付き論文

１.徳本晋之介,北原格,大田友一
バーチャルジオラマと複合現実型提示を用いた舞台照明の演出計画支援
日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.17,No.4,pp. 317-325,2012

２.長島正典,林将之,北原格,亀田能成,大田友一
録画された移動物体行動の複合現実型提示における一覧性の向上
日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.17,No.4,pp.447-456,2012191平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

３.Senya Polikovsky, Yoshinari Kameda, and Yuichi Ohta
Facial Micro-Expression Detection in Hi-Speed Video Based On Facial
Action Coding System (FACS)
The Transactions of the IEICE D, Vol. E96-D, No.1, pp.81-92, 2013

４.Hiroyoshi Tsuru,Itaru Kitahara,Yuichi Ohta
A Mobile Camera Calibration Method Using an Environmental Stereo
CameraIEEJ Transactions on Electronics, Information and
Systems,Vol.133,No.1,pp.47-53,2013

B) 査読無し論文

なし

(10)

国際会議発表A) 招待講演なしB) 一般講演

１.Shinnosuke Tokumoto, Itaru Kitahara , Yuichi Ohta
Visual Support for Planning of Stage Lights Control by Using
Virtual-Diorama and Mixed-Reality
Proceedings of The 5th Korea-Japan Workshop on Mixed Reality(KJMR2012) , 20 pages, 2012

２.Masashi Ueda, Itaru Kitahara , Yuichi Ohta
192

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

A Wallpaper Replacement Method in a Free-Hand Movie
Proceedings of the 4th international Conference on 3D Systems andApplications (3DSA2012) , 5 pages, 2012

３.Senya Polikovsky, Yoshinari Kameda, and Yuichi Ohta
A New Noninvasive Multi-Sensor Capturing System for Human
Physiological and Behavioral Responses Analysis During the Interview
The 30th International Congress of Psychology, Panel, 2012

４.Senya Polikovsky, Maria Alejandra Quiros-Ramirez, Yoshinari Kameda,
Yuichi Ohta, Judee Burgoon
Benchmark Driven Framework for Development of Emotion Sensing
Support Systems
Proceedings of Workshop on Innovation in Border Control 2012, pp.353-355,
2012

５.Yoshinari Kameda, Itaru Kitahara, and Yuichi Ohta
Uniform Software Environment for AR Performance Evaluation based on
USB Boot LinuxInternational Workshop on Benchmark Test Schemes for AR/MR Geometric
Registration and Tracking Method (TrakMark) (in conjunction withICPR2012), 4 pages, 2012

６.Senya Polikovsky, Maria Alejandra Quiros-Ramirez, Takehisa Onisawa,
Yoshinari Kameda, and Yuichi Ohta
A Non-Invasive Multi-Sensor Capturing System for Human Physiologicaland Behavioral Responses Analysis
First IAPR TC3 Workshop on Multimodal Pattern Recognition of Social
Signals in Human-Computer-Interaction (MPRSS), vol.LNAI-7742,
pp.63-70, 2012.
193平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

７.Hiroyoshi Tsuru ,Itaru Kitahara,Yuichi Ohta
Mixed-Reality Snapshot System Using Environmental Depth Sensors
21st international Conference on Pattern Recognition (ICPR2012) ,pp.97-100, 2012.

８.Maria Alejandra Quiros-Ramirez, Senya Polikovsky, Yoshinari Kameda,
and Takehisa Onisawa
Towards Developing Robust Multimodal Databases for Emotion Analysis
The 6th International Conference on Soft Computing and Intelligent
Systems, 6 pages, 2012.

９.Takaya Kawamata,Itaru Kitahara,Yoshinari Kameda,Yuichi Ohta
Lifted Road Map View on Windshield Display
IEEE 8th Symposium on 3D User Interface,2 pages, 2013(11)

国内学会・研究会発表

A) 招待講演なし

B) その他の発表

１.出口 大輔, 亀田 能成, 北原 格, 近藤 一晃, 島田 敬士, 日浦 慎作
これまでの PRMU アルゴリズムコンテストを振り返って
電子情報通信学会 技術研究報告 PRMU, vol.112, no.197, pp.143-147, 2012.

２.鳥屋 剛毅, 北原 格, 大田 友一
位置情報付き俯瞰画像を用いたモバイルカメラの位置と方位の推定
Proceedings of FIT2012, pp.541-546, 2012.
194平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

３.大川原 友樹, 北原 格, 亀田 能成, 大田 友一
シーン状況と多視点映像の解像度を考慮した自由視点映像生成支援手法
第 17 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集, pp.27-30, 2012.

４.佐藤 翔悟, 北原 格, 大田 友一
Active Appearance Model を用いた表情の操作手法
第 17 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集, pp.205-208, 2012.

５.林将之, 北原 格, 亀田 能成, 大田 友一
シーン中の３次元点群の投影誤差による AR/MR 向けカメラキャリブレーションの精度評価
電子情報通信学会 技術研究報告 MVE, vol.112, no.221, pp.43-48, 2012.

６.中野 一成, 亀田 能成, 大田 友一
人物が存在し得る部分空間の多重スリット表現による可視化
HCG シンポジウム 2012, pp.105-110, 2012.

７.原 祥尭, 坂東 茂, 坪内 孝司, 大島 章, 北原 格, 亀田 能成
MAP-ICP:最大事後確率推定により事前確率を考慮した 6 自由度 Iterative
Closest Point マッチング
第 18 回ロボティクスシンポジア, pp.592-599, 2013８.宍戸 英彦, 北原 格, 亀田 能成, 大田 友一
モーションブラーを活用したバドミントンシャトルの追跡手法
電子情報通信学会 技術研究報告 PRMU, vol.112, no.385, pp.139-144, 2013.

９.鳥屋 剛毅, 北原 格, 大田 友一
空撮画像との対応点情報を用いたモバイルカメラの位置・姿勢推定手法
電子情報通信学会 技術研究報告 PRMU, vol.112, no.441, pp.1-6, 2013195

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

１０.中野 一成, 亀田 能成, 大田 友一
物体が存在し得る錐体空間の多重スリットによる可視化
電子情報通信学会 技術研究報告 MVE, vol.112, no.474, pp.203-208, 2013

１１.宍戸 英彦, 北原 格, 亀田 能成, 大田 友一
位置と速度の観測に基づく高速移動物体の追跡手法
電子情報通信学会 2012 年総合大会講演論文集(情報・システム講演論文集 2),
pp.181, 2013

１２.君島 直城, 北原 格, 亀田 能成, 大田 友一
広域空間で撮影した人物の簡素な形状モデルによる可視化手法の提案
電子情報通信学会 2012 年総合大会講演論文集(情報・システム講演論文集 2),
pp.123, 2013

１３.小林 直樹, 北原 格, 亀田 能成, 大田 友一
道路監視カメラ映像における前照灯の鏡面反射成分を用いた車両の位置推定
電子情報通信学会 2012 年総合大会講演論文集(情報・システム講演論文集 2),
pp.180, 2013

１４.森田 航平, 北原 格, 亀田 能成, 大田 友一
仮想車両の複合現実型提示による交差点死角の車両認識支援
電子情報通信学会 2012 年総合大会講演論文集(情報・システム講演論文集 2),
pp.121, 2013

１５.樽見 佑亮, 亀田 能成, 大田 友一
歩行経路上の位置推定のための画像検索性能評価
電子情報通信学会 2012 年総合大会講演論文集(情報・システム講演論文集 2),
pp.144, 2013196

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書(12)

著書、解説記事等なし

7.

異分野間連携・国際連携・国際活動等

なし
8.

シンポジウム、研究会、スクール等の開催実績

当研究室教員が、General Chair、組織委員会委員長、現地実行委員会委員長などの中心メンバーとして運営に携わり、下記の通りパターン認識研究分野で最も歴史がある世界最大の国際会議、21st International Conference Pattern Recognition (ICPR2012)
を３４年ぶりに日本で開催した。会議には、世界 49 カ国、約 1200 名（国内約 300 名、
海外約 900 名）の研究者が参加し、パターン認識、コンピュータビジョン、画像処理、文字認識、音声処理、信号処理等の基礎分野や、文書解析、バーチャルリアリティ、ヒューマンインタフェース、医療情報技術等の応用分野等を主要題目として、最新かつ最先端の研究発表と活発な討論が行われた。また、会議初日には、近隣市町村の中高生を対象とした国内外トップレベルの研究者による市民公開講座を開催し、科学、工学の面
白さと奥深さを若者に伝える活動を行った。
会議名：21st International Conference Pattern Recognition (ICPR2012)
開催期間：2012 年 11 月 11 日～15 日
開催場所：つくば国際会議場
下記のイベントに参加し、広く社会に研究成果を広報した。
イベント：大学院専攻研究公開（展示）日時：２０１２年５月１２日（土）、６月２日（土）（９：３０～１６：００）
場所：筑波大学第三エリア
展示内容：自由視点映像や複合現実感技術に関連したデモシステムの展示、技術紹介ビ
デオの紹介
9.

管理・運営

組織運営や支援業務の委員・役員の実績

197

平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

大田友一
情報環境機構 情報環境企画室員
システム情報系 戦略室員
亀田能成
筑波大学 e ラーニング委員会委員
北原格
筑波大学全学計算機委員会委員
10. 社会貢献・国際貢献

大田友一
ICPR2012(*1)

組織委員会委員長・General Chair

情報処理学会

情報科学技術フォーラム（FIT）推進委員会委員長（2012.6.1.～

2013.5.31.）
大学評価・学位授与機構
電子情報通信学会

学位審査会専門委員

教科書委員会委員

亀田能成
ICPR2012(*1) 現地実行委員会委員
TMA/TrakMark 2013: IEEE ISMAR 2013 Joint Workshop on Tracking Methods &Applications and TrakMark オーガナイジングメンバー
電子情報通信学会 情報システムソサイエティ 庶務幹事
電子情報通信学会 ヒューマンコミュニケーショングループ 運営委員会委員
電子情報通信学会 PRMU 研究専門委員会委員、MVE 研究専門委員会委員、サイバーワー
ルド研究専門委員会委員
画像の認識・理解シンポジウム(MIRU)2012 プログラム委員会領域チェア北原格
ICPR2012(*1) 現地実行委員会委員長
電子情報通信学会和文論文誌 D 編集委員
電子情報通信学会パターン認識・メディア理解研究専門委員
日本バーチャルリアリティ学会 論文編集委員(*1) 21st International Conference Pattern Recognition198平成 24 年度 筑波大学 計算科学研究センター 年次報告書

11. その他

海外長期滞在、フィールドワークなどなし

199