Development of nanoscale device simulation method based on quantum computing algorithm
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22K04244
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
相馬 聡文 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (20432560)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 量子アルゴリズム / 半導体 / デバイスシミュレーション / 量子コンピューティングアルゴリズム / 半導体デバイス / シミュレーション / ナノスケール半導体デバイス / 量子機械学習 |
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| Outline of Research at the Start |
情報通信技術を支えるシリコンCMOSトランジスタの微細化限界を克服するための新規デバイスのシミュレーションによる素子設計という重要な課題の中で，このデバイスシミュレーションを今後中長期的に更に効率化して行くことを目的に，量子コンピューティング技術を援用した革新的な半導体デバイスシミュレーション手法の開拓を行う．特に，ナノスケールデバイスシミュレーションにおいて中核的な計算であるポアソン方程式や非平衡グリーン関数の計算のための量子アルゴリズムを量子推定アルゴリズム，変分原理，機械学習的手法を併用する形で確立し，デバイスシミュレーションに向けた量子コンピュータ利用の中期的，長期的な展望を提供する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
電界効果型トランジスタなどの種々の半導体素子の性能予測とそれに基づくデバイス設計のためのデバイスシミュレーション研究において、近年の量子コンピューティング技術の進展を如何に援用するかについて開拓的研究を行う事が本研究課題の主旨であるが、2023年度は、以下の2つの視点から研究を行った。
1) 強束縛近似法（タイトバインディング：TB法）に基づく半導体材料のバンド構造計算とそれを利用した障壁高さモデルに基づく電流計算への変分量子アルゴリズムの応用。この研究では、近年、代表的なNISQ向けアルゴリズムとして知られる変分量子アルゴリズム（変分固有値問題）をTB法に基づいて得られるハミルトニアン行列の固有値問題に応用し、更には、デバイスシミュレーションへの応用を念頭に障壁高さモデルに基づく電流計算にも応用した。後者においては、電流計算に必要となる群速度の計算において、ヘルマンファインマンの定理を用いる事により、固有値計算のために最適化した量子回路をそのまま適用でき、量子計算を応用した高速化につながる可能性がある事を見出した。
2) 開放系時間依存シュレーディンガー方程式に基づくデバイスの電流計算における量子アルゴリズムの応用。この研究では、開放系時間依存シュレーディンガー方程式に基づいて電極デバイス間での電子の流入流出を考慮して電流計算を行うフレームワークを意図して、そのフレームワークの核心である解法環境での波動関数の時間発展計算を量子アルゴリズムを用いて行う事について検討した。現時点では部分的に成功しつつあり、今後の課題である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究計画において提示していた3つの課題：1．不均一メッシュを用いたノイズ耐性の高い量子ポアソンソルバーの提案、2．デバイス系の遅延グリーン関数に対する方程式に対する量子アルゴリズム提案、3．開放系時間依存シュレーディンガー方程式に基づく電気伝導計算のための量子アルゴリズム提案のうち、課題１について2022年度に招待講演含む学会発表、国際会議発表、論文発表を行った。一方、課題2、課題3については、課題3の方が本質的な難しさをはらむので、課題2は後回しとし、先に課題3を2023年度に行った。そのため、課題2についてはまだ予備検討段階であるが、課題3については、2023年度に研究を行い部分的に達成されつつある。しかしながら、課題3についても未解決な部分が残っており、これらの事から、本研究課題についてやや遅れているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画で掲げた3つの課題のうち、2024年度は、2023年度に続き、「3．開放系時間依存シュレーディンガー方程式に基づく電気伝導計算のための量子アルゴリズム提案」をまず重点的に行う。また、2つ目の課題である「デバイス系の遅延グリーン関数に対する方程式に対する量子アルゴリズム提案」についても、3つ目の課題と密接に関係するため、課題3の解決が見えるに従い、順次課題2についても取り組む。
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
