RESEARCH

本研究では、現代のIsingマシンを用いた結晶構造予測において、一般的なn体原子相互作用、特に共有結合をシミュレートするために必要な三体相互作用を考慮したアニーリング手法を提案しています。結晶構造は、単位セルを離散化し、各グリッドポイントに存在または非存在を表すバイナリ変数を配置することで表現されます。この手法により、二次制約なしバイナリ最適化（QUBO）または高次制約なしバイナリ最適化（HUBO）問題を解決し、結晶構造予測を最適化します。Lennard-Jonesクラスターの例を用いて、目標原子数を式に含める必要がないことを示し、粒子密度と構成の両方を同時に最適化することができることを主張しています。これは、アニーリングマシンでの使用において有利であり、総相互作用量を減らすことができます。

本研究では、量子状態の準備において、初期状態に含まれる望ましくない状態を減衰させるために非ユニタリ演算子が使用されます。この際、アンシラキュビットと確率的なアクションが用いられます。確率的アルゴリズムは、古典的なアルゴリズムと比較して計算プロセスを加速することはできません。そこで、本研究では、量子振幅増幅(QAA)と多段階の確率的アルゴリズムを組み合わせることで、二次加速を実現しました。この方法は、不正確さの観点から量子位相推定を上回ります。確率的虚時間進化(PITE)法によって、二次加速が確認されました。本研究の成果は、量子コンピューティングの実用化に向けた重要な一歩となることが期待されます。

本研究では、量子計算における基底状態の準備において、確率的虚時間発展法（PITE法）の計算コストを分析し、最適なパラメータ選択による計算効率の向上の可能性を報告しました。具体的には、虚時間ステップサイズの線形スケジューリングと指数関数スケジューリングがPITE法の計算コストに与える影響を調査しました。本研究の成果は、量子計算におけるPITE法を用いた際の基底状態準備の高速化に貢献することが期待されます。

本研究では、一様磁場下の電子の基底状態および励起状態の第一量子化固有値ソルバーについての新しい手法を提案しました。この手法により、磁場下の材料シミュレーションを量子コンピュータ上で実行することができ、計算コストに影響を与えることなく、一般的な分子またはモデル系の最低エネルギー状態を得ることができます。また、この手法は、第一量子化形式でのリアルタイムダイナミクスの量子シミュレーションにも適用可能です。本研究により、相互作用する電子系の静的および動的な性質の解析において、量子計算の実用的な応用が拡張されることが期待されます。

本研究では、SiO2/4H-SiC界面におけるKohn-Sham波動関数の原子スケールでの局在化について、密度汎関数理論を用いて計算を行いました。その結果、4H-SiC(0001)スラブにおける波動関数が界面に最も近い立方体サイトに局在する傾向があることがわかりました。重要なことに、有効質量近似から予想されるよりも界面から5Å未満の範囲で伝導電子が分布しているため、界面欠陥による散乱がより頻繁に起こることが予想され、実際に実験事実とも定性的に整合する結果であることがわかりました。これこそが、(0001)面のチャネル伝導度が他の面、例えば(1120)面に比べて特に低い理由であると考えられます。さらに、有効質量近似を破綻させた理論考察を深めたところ、4H-SiC結晶の[0001]方向に沿った長い構造周期性が有効質量近似の崩壊と関係していることを明らかにしました。

本研究では、六方晶窒化ホウ素（hBN）中のホウ素欠陥におけるスピン特性の改善に焦点を当て、熱処理による効果を調査しました。高温高圧合成されたhBN結晶をホスト材料として使用し、N2イオン照射によってホウ素欠陥を形成しました。その後、熱処理を行うことで、ホウ素欠陥のスピン特性を改善することができることを発見しました。本研究は、量子技術における材料開発に貢献することが期待されます。

本研究では、量子ノイズが存在する場合における量子エラー軽減（QEM）プロトコルを提案し、その有効性を実証しました。理論的考察のみならず、数値的な実証まで示す事により、量子エラー低減された量子フィッシャー情報量が理想的な量子計測で示されるスケーリング振る舞いに復元されることを示しました。

本研究は、L1 0 FePtナノ粒子の磁気反転のエネルギーバリアに対する温度とサイズの依存性について、原子レベルでの第一原理的なシミュレーションによって定量的にも再現されたことを報告しています。この研究では、ナノ粒子のサイズや温度が磁気反転のエネルギーバリアに与える影響を詳細に調べ、磁気記録における長期的なデータ保存に必要な条件を明らかにしています。この計算手法は、実験的な磁気材料の開発に役立つことが期待されます。この機能は、Quloud-Magサービスとして材料計算として提供可能となっております。

本研究では、窒素をドーパントとしてSiC/SiO2界面のSiCサイドに導入した場合に、電子状態の挙動について、RSDFTを用いた第一原理計算に基づいて明らかにしました。具体的には、窒素ドーパントがSiC表面に近い位置に存在する場合、SiC/SiO2界面における電子状態を界面から引き離す効果があることがわかりました。さらには、伝導帯のサブバンドが下がってきて電子キャリア数の増加を引き起こすという作用も持っていることを明らかにしました。本研究成果により、SiCパワーデバイスの開発において、窒素ドーパントを用いた新しい素子構造の設計に役立つことが期待されます。

本研究では、量子コンピュータ上での基底状態の求め方について、確率的虚時間発展法（PITE）と量子振幅増幅法（QAA）を組み合わせた新しい手法を提案しました。この手法により、効率的に基底状態を求めることができ、量子加速が達成されました。また、初期状態を真の解に近づける方法を探ることで、計算を数ステップで完了することができるようになりました。

本研究では、量子コンピュータを用いた分子の最適構造の網羅的な探索手法を提案しました。従来法では、分子の最適化には多大な計算コスト（指数関数的時間）がかかり、現実的な時間内に解を求めることができませんでした。そこで、本研究では、確率的な虚時間進化を用いて、電子状態と分子の幾何構造を同時に多量子ビット状態の重ね合わせとしてエンコードすることで、より効率的な幾何構造探索が可能であることを示しました。また、電子数に応じた回路の深さが多項式時間であることを示し、より効率的な構造探索が可能であることを示しました。本研究は、分子の構造最適化や、新分子の構造探索において、量子コンピュータの応用が有望であることを示す事に成功しました。

本研究では、ウォーム・スタートQAOA（WS-QAOA）に用いる初期近似解の精度が、そのパフォーマンスにどのように影響するかについて詳細な調査を行いました。数値シミュレーションによれば、WS-QAOAのパフォーマンスは初期近似解の品質に依存し、我々はこれらの特性を説明するための理論曲線を解析しました。

本研究では、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用を持つファンデルワールス中心対称物質におけるスキルミオンについてシミュレーションに基づく理論予測を行いました。スキルミオンは、非中心対称物質に現れることが知られていましたが、本研究では中心対称物質にも存在することが明らかになりました。本研究では、第一原理計算とモンテカルロシミュレーションを組み合わせて、中心対称性を有するMX3（M：V、Cr、Mn、Fe、X：Cl、Br、I）2次元ファンデルワールス材料の磁気特性を調べました。その結果、MX3においても第二近接サイト間で作用するDzyaloshinskii-Moriyaベクトルが有限な値を有すること、またそれが"局所"反転対称性の破れによって引き起こされていることがわかりました。スキルミオンは、高密度磁気メモリデバイスにおいて有望な応用が期待されており、MX3（M：V、Cr、Mn、Fe、X：Cl、Br、I）2次元ファンデルワールス材料というありふれた元素からなる物質でも発現することが本研究から初めて明らかとなりました。

本研究では、理論シミュレーションにより、MONOS型メモリ材料として知られている窒化ケイ素中の窒素欠陥における原子および電子構造に関して報告を行いました。密度汎関数理論を用いて、Si dangling bondの振る舞いや、空間中を浮遊した特異なギャップ状態の出現を明らかにしました。窒化ケイ素は、充填率が小さい物質であり、空間を浮遊する特異な電子状態が出現することを見出しました。また、驚くべきことに、N欠陥は+1から-5まで複数の電荷状態を持ち得ること、さらにそこに特異な電子状態が関係していることを理論的に発見しました。つまり、人類を支えるMONOS型メモリの機能性が、窒素欠陥と浮遊した特異な電子状態に由来していることを初めて明らかにしたのです。

本研究では、量子コンピューターの分野において、虚時間ダイナミクスの効率的なアルゴリズム-確率的虚時間発展法PITE（probabilistic Imaginary Time Evolution）の実装を報告しました。PITEの量子回路を開発し、その計算コストの解析的な見積もりを行い、またその量子回路の実行を通じ、PITEが実用的にも優れた量子計算アルゴリズムであることを報告しました。