お客様導入事例カタログ

マヨラナ粒子の実証を起点に、トポロジカル量子コンピューティングの基盤技術の確立を目指す最先端の「量子スピン液体」研究を加速させる
高性能 HPE サーバープラットフォーム

業界
大学・研究機関目的「量子スピン液体」に着目した新しい準粒子の実証とトポロジカル量子計算の基盤技術の研究。
アプローチ「キタエフ模型」に基づく数値計算により、理論的側面からトポロジカル物性を予言・実証する。

IT の効果• HP ProLiant DL580/DL380サーバーを採用し、トータル 400コア以上のコストパフォーマンスの高いクラスターシステムを構築• モンテカルロ法による大規模かつ複雑な量子系の解析・数値計算を実行可能に• 中規模のクラスターシステムを研究室で占有し、学外のスパコンと適材適所で利用可能にビジネスの効果

量子コンピューターの開発競争が世界中で過熱する中、日本においても最先• 熱伝導や磁性などの物理量の計算を高速化

端の取り組みが着実に進行している。日本の強みである物理学の分野では、• 現実の物質におけるキタエフ模型の実現に幻の粒子と呼ばれてきた「マヨラナ粒子」の存在を世界に先駆けて実証し、向けた研究に理論的な側面から貢献• マヨラナ準粒子の制御法の研究など新しいチャレンジを支える環境を整備「トポロジカル量子コンピューティング」の実現に向けた大きな一歩を記した。共同研究チームに参画した横浜国立大学 大学院工学研究院 准教授の那須譲治氏は、「量子スピン液体」と呼ばれる現象に着目しトポロジカル量子計算への応用可能性を探求している。
チャレンジ「マヨラナ粒子」の存在証明がトポロジカル量子計算への応用に

2019年末、量子コンピューターが現行のスー世界中で量子コンピューターの開発競争が過熱パーコンピューターを上回る計算能力を持つとすする中、日本の取り組みはどこまで進んでいるのる「量子超越性」のニュースが世界を驚かせた。 だろうか。量子コンピューターの本命と目される「量子コンピューターがスパコンより高性能であ 「トポロジカル量子計算技術」――その実現の鍵る」と証明するものでは必ずしもないが、量子コンを握る「マヨラナ粒子」「量子スピン液体」の最先ピューターの実現が近づいていることを誰にも予端研究に取り組む、横浜国立大学 大学院工学研感させた。

究院 准教授の那須譲治氏に聞いた。

Case study

業界

横浜国立大学

大学・研究機関

Page 2“ スピン状態の変化に対して、熱伝導や磁性といった物理量の計算を行います。
すぐにでも計算結果が欲しい、というとき研究室に高性能のマシンがあることが大事です ”
̶ 国立大学法人横浜国立大学

大学院工学研究院准教授

那須 譲治 氏

博士
（理学）

「物性物理学の世界では、新しい性質を持つ素粒

那須氏の研究室では、HPE ProLiant DL580

子をデザインする試みが数多く行われています。 サ ー バ ー（3 台 / 計 264 コア ）/HPE ProLiant
たとえば、理論的には粒子と反粒子の性格を併せDL360サーバー（7台 / 計168コア）によるクラス持つ『マヨラナ粒子』を物質中で実現することはターシステムを独自に導入。学外のスーパーコン可能であり、それを使うことで、周りの環境からのピューターと適材適所で併用しながら様々な解析・擾乱に対して安定的に動作する『トポロジカル量数値計算に活用している。

子計算』を実現できると考えられています」

ソリューション国立大学法人横浜国立大学大学院工学研究院准教授
那須 譲治 氏 博士
（理学）

量子コンピューターは、組み合わせ最適化問題に特化した「量子アニーリング方式」、より汎用的なマヨラナ粒子が2つ創発された用途に使える「量子ゲート方式」の大きく2つにことを示す温度変化を計測分類される。トポロジカル量子ビットを利用した那須氏が参画した研究チーム（東京工業大学・東量子ゲート方式のコンピューターは、環境ノイズ

京大学・独マックスプランク研究所）は、2016年への耐性に優れ、量子状態を安定的に扱うことがに「マヨラナ粒子」が常温の磁性絶縁体で創発すできると期待されている。

ることを大規模な数値計算によって確認。また、「近年の研究で、物質を構成する電子の相互作用

工業大学）
では、磁性絶縁体の一種「塩化ルテニが強いと、マヨラナ粒子や非可換エニオンといっウム」における「マヨラナ粒子」の実証実験を、た準粒子が発現する可能性があることがわかって理論的な側面からサポートした。論文は英科学誌きました。そして、『量子スピン液体』と呼ばれるネイチャーおよび姉妹紙ネーチャーフィジクスに磁性体の性質に関する研究が、新しい準粒子の掲載され、その成果は世界中から大きな注目を実証を大きく前進させています」
（那須氏）

集めた。

2018年の共同研究（京都大学・東京大学・東京「量子スピン液体に対する解析・数値計算により、 「2016年の発表では『ラマン散乱』という現象を実験結果のモデルに対する確かさを理論的に明利用して、電子スピンに対して入射光を当てたとらかにする」というのが、那須氏の重要な研究きに発生する反射光の散乱過程を計算しました。

テーマのひとつだ。だが、量子系の解析・数値計

物性実験チームが、ある物質を使いマヨラナ粒子算には一般の常識では想像し難いほどの膨大なが2つ創発されることを示す温度変化を計測した計算リソースが必要となる。たとえ世界屈指の性のですが、これを数値計算によって裏づけた形で能を持つスーパーコンピューターを用いても、扱す」（那須氏）

えるデータ量は量子スピン換算で数10個にとどまるという。

理想のモデルであるキタエフ模型でラマン散乱を発生させた場合の理論計算と、今回の実験結果「そこで私たちが着目したのが『キタエフ模型』でが近ければ、その物質はキタエフ模型に近いと言す。2006 年に Alexei Kitaev によって提案されえる。現実に存在する“物質”としてキタエフ模型

たこの理論模型を使うことで、現実的な計算時間を実現できれば、トポロジカル量子計算を実現

でモンテカルロ法による解析・数値計算が可能にするための基盤技術の構築は大きく前進する。

なりました」（那須氏）

Case study

業界

横浜国立大学

大学・研究機関

Page 3「ラマン散乱」を利用した実験を数値計算で実証

散

光乱射

光

入0.3

ラマン散乱強度実験
理論0.2

マヨラナ粒子
マヨラナ粒子

電子スピン0.1

0.0-250-200-150-100-50050

温度（℃）

「2018年の共同研究では、マヨラナ粒子が創発能力を高めたい、量子系を扱うには大容量メモリする決定的な証拠と考えられる熱伝導度に関するが必須――那須氏の要求に最適な選択となった実験を、数値計算によりサポートすることができ（4ソケッのが、HPE ProLiant DL580サーバーました。量子スピン液体のトポロジカルな性質をト機）/HPE ProLiant DL360サーバー（ソケット明らかにした点においても極めて大きな意義が機）計432コアによるクラスターシステムだった。

あります」
（那須氏）

ベネフィットモンテカルロ法による量子数値計算の実行環境

トポロジカル量子計算の“舞台”を那須氏は、モンテカルロ法を用いて大規模かつ複理論的な側面からサポート雑な量子系の解析・数値計算を行っている。中心那須氏は、自らの研究テーマに取り組みながら複となる計算環境である研究室のクラスターシステ数のプロジェクトに参画している。文部科学省がムは、2018-2019年にかけて導入された。量子掲げる戦略目標「トポロジカル材料科学の構築にスピン液体研究における計算手順を、那須氏は次よる革新的材料・デバイスの創出」の実現に向けのように説明する。

（科学技術振興機構）の「さきがけ」はそのた JSTひとつだ。
「さきがけ」は、研究者個人の活動を「最初に、乱数を用いてスピン状態の変化を時系尊重しながら、科学技術イノベーションの源泉と列で計算する工程があります。これには巨大ななる成果を世界に先駆けて創出することを目指す計算リソースが必要なので、3,500CPU コア程ネットワーク型研究である。

度までを一度に使える学外のスパコンを利用する最先端の「量子スピン液体」ことが多いですね。次のステップでは、いくつか 「長年にわたり、強相関電子系の研究に取り組ん研究を加速させるの系列をピックアップして熱伝導や磁性といったできて、最近ではトポロジカル物性を取り入れた

高性能 HPE サーバープラット

物理量の計算を行いますが、これを研究室のクラ研究も行ってきましたが、トポロジカル量子計算フォームスターシステムで実行する、というのが典型的なへの期待がこの領域の研究を加速させている利用イメージです」

ことを強く感じています。トポロジー（位相幾何学）という数学の手法が、物性物理学の大きな進化「すぐにでも計算結果が欲しい、というとき研究室に結びついた事実は非常に興味深いことです」とに高性能のマシンがあることが大事」と那須氏は那須氏は話す。

言う。可能な限り CPU コアを増やして並列処理

Case study業界横浜国立大学

大学・研究機関“ 量子トポロジカル磁性体となりうる物質群のデザイン――すなわち『現実物質でのキタエフ模型の実現』は、トポロジカル量子計算を実行する“舞台”を整えることそのものです。これからも、物性物理学の立場からこのテーマを追求していく考えです ”
̶ 国立大学法人横浜国立大学

大学院工学研究院

導入製品 / サービス准教授

那須 譲治 氏

博士
（理学）

「量子スピン液体」は、物理学から材料科学の研究者までを巻き込んで、今や超伝導体と並ぶ最先導入ハードウェア• HPE ProLiant DL580 サーバー
• HPE ProLiant DL360 サーバー

端の研究領域となっている。構成要素からは想像できない機能が現れる「創発性」が、世界中の研究者の興味を惹きつけてやまない。量子コンピューティングはもとより、革新的な機能を備えた新材料の実現への期待がさらに競争を加速させていくことだろう。那須氏は次のように語って締めくくった。
「量子トポロジカル磁性体となりうる物質群のデザイン――すなわち『現実物質でのキタエフ模型の実現』は、トポロジカル量子計算を実行する“舞台”を整えることそのものです。これからも、ソリューションパートナー物性物理学の立場からこのテーマを追求していく考えです。その先には、マヨラナ準粒子の制御法の確立という大きなチャレンジが待ち受けています。HPE には、私たちの研究を支えるより良い計算環境を提供し続けてくれることを期待します」

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hpe.com/jp/servers

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