2021 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum computing for robust molecular identification by quantum tunneling
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21H01742
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
多田 朋史 九州大学, エネルギー研究教育機構, 教授 (40376512)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷口 正輝 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (40362628)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 量子コンピュータ / 分子識別 / 量子アルゴリズム / 量子輸送 / 分子デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
科学技術の発展により、いまや人類は単原子や単分子を実験的に観測・操作する技術を手にするに至った。これは、自然界の現象のみならず我々の生活に関わる出来事を究極的に細分化した際、単原子や単分子レベルでその現象の原因を追究できる可能性を手にしたことを意味する。新型ウイルスの脅威と闘い続けねばならない人類の宿命を考えた際、この可能性は人類にとって大きな希望である。しかし現状では、小さな母集団の中から単分子を識別する場合であっても数時間から数日を要し、この状況の打開が急務である。本研究は分子に流れる多様なトンネル電流を分子軌道理論を用いたトンネル伝導経路のパターン化と、その伝導パターンを量子コンピュータで高速分離することで分子識別時間を飛躍的に加速しうる新手法を確立するための基盤研究である。
本研究は、多田（代表者）と谷口（分担者）による基盤研究であり、多田が量子回路構築、量子コンピューティング、成果発表、成果取りまとめを担当し、谷口が分子伝導計測を担当する。これまで、ＤＮＡの基本塩基分子である、アデニン、グアニン、チミン、シトシン、それぞれの電極とのナノコンタクト（電極との分子接合）の第一原理計算を行い、想定される伝導経路パターンの決定を行った。分子識別するための最小量子回路モデル（３量子ビット系）を考案し、観測された伝導データを同回路にインプットすることで実測の伝導データとＩＢＭ－Ｑ量子コンピューティングシステム（実機）を用いて分子識別のデモンストレーションを行うことに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
単一分子に流れる多様なトンネル電流経路を量子コンピュータ上で高速分離するには、単一分子上の量子輸送過程を量子回路として記述した上で、量子コンピュータで高速に分子識別するための量子アルゴリズムを構築する必要がある。R3年度は、ＤＮＡの基本塩基分子である、アデニン、グアニン、チミン、シトシン、それぞれの分子と対向電極とのナノコンタクト（電極との分子接合）の第一原理計算を行い、想定される伝導経路の決定を。全エネルギーと分子軌道パターンの観点から実行した。分子識別するための最小量子回路モデル（３量子ビット系）を考案し、観測された伝導データをデジタルデータにエンコードすることで、実測の伝導データとＩＢＭ－Ｑ量子コンピューティングシステム（実機）を用いて分子識別のデモンストレーションを行うことに成功した。量子輸送のための分子軌道理論は、個々の分子特有の情報を含んでおり、それゆえ、今回の手法は他種の分子系に対する伝導量子回路モデルを効率的に生成できる手法である。
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| Strategy for Future Research Activity |
R3年度は、ＤＮＡの基本塩基分子である、アデニン、グアニン、チミン、シトシン、それぞれの分子と対向電極とのナノコンタクト（電極との分子接合）の第一原理計算を行い、想定される伝導経路の決定を行うことで分子識別するための最小量子回路モデル（３量子ビット系）の構築に成功した。また、実測の伝導データとＩＢＭ－Ｑ量子コンピューティングシステム（実機）を用いて分子識別のデモンストレーションを行うことにも成功した。しかしながら、量子アルゴリズムの観点から考察すれば、今回の識別プロセスでは量子性の取り込みが十分効果的ではなく、現時点での量子アルゴリズムや量子回路では、真の意味での「量子コンピュータによる高速分子識別」達成には不十分であることも判明した。そこで、本年度は現行の量子回路モデルの再考に加え、識別用量子アルゴリズムの見直しを行い、より実質的に効果が期待できる高速分子識別法の基盤技術の構築に努める。
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