Unsold近似を用いた多参照摂動論によるカロテノイド励起状態ダイナミクスの解明

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K14181
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 水上 渉 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (10732969)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 多参照理論 / 電子状態理論 / 計算化学 / 量子コンピュータ

Outline of Annual Research Achievements

カロテノイドは、代表的な天然色素の一つであり、生体内で多様な役割を持つことが知られている。光合成における光捕集機能補助や光防御機能を司っており、カロテノイドの光吸収特性を理解することはこうした仕組みを解明する上でも重要である。 単純な構造とは裏腹にその励起状態の理論的記述は難しいことが知られており、その励起状態ダイナミクスについては不明な点が未だに多い。 本研究では、カロテノイドの励起状態を従来法よりも高速に計算できる方法を開発し、その方法を応用することでカロテノイドの励起状態ダイナミクスを明らかにすることを目的としている。 初年度は、そのための方法論として、複雑な電子状態をバランス良く記述できる多参照摂動論の高速化手法の開発に取り組んだ。 Unsold 近似と呼ばれる摂動論の分母を簡単なパラメータに置き換える近似を導入することで、定量的電子状態計算に必須の「動的電子相関」を平均場の枠内で取り込む手法を定式化した。 この手法は変分的な手法であるため、解析的微分が低コストで手に入るというメリットがある。 加えて、近年開発が進む量子コンピュータ用のシミュレーション手法を取り込んだ量子化学計算手法の開発・実装をおこない、LiH や H2 などの単純な系でテストをおこなった。 波動関数のパラメータをすべて変分的に決定するため、こちらもエネルギーの解析的１次微分（フォースなど）の計算が高速におこなえるメリットをもっている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Unsold近似に基づく多参照電子状態理論の定式化をおこない、PySCF などの既存の量子化学パッケージに実装する準備が整った。実装まではたどり着かなかったが順調に推移している。 さらに、当初計画していた理論開発に加えて、量子-古典ハイブリッド・アルゴリズムとして量子コンピュータへの応用が期待されている変分量子固有値ソルバーに関して、新しい方法論の構築に成功するなど多参照電子状態理論の開発に関して計画以上の成果も得た。

Strategy for Future Research Activity

2019年度は前年度に定式化したUnsold近似に基づく多参照電子状態理論の実装をおこなう。加えて、量子コンピュータ・シミュレータを用いた変分量子固有値ソルバーとCASSCF・多参照摂動論との接続をさらにすすめる。

電子状態理論の開発と並行して、本年度は最終年度に実施する予定のカロテノイド系の量子ダイナミクス計算の準備をすすめる。複数の励起状態を考慮した多状態の解析的ポテンシャル曲面を少ないデータ点で構築するための方法論構築に特に注力する予定である。

Causes of Carryover

初年度は主に理論開発のみとなったためである。開発の進捗の関係もあり、当初の想定と異なり手持ちの計算機だけで事足りた。一部計算を2019年度に計算を後ろ倒しすることになった。次年度使用額を使用して大型計算機をレンタルし、後ろ倒しになった計算に対応する予定である。