先端システム理解センター(CASUS)のジュニア研究グループリーダーであるウェルナー・ドブラウツ博士が、ドイツ連邦教育研究省(BMBF)の「量子フューチャー」プログラムから180万ユーロ（190万米ドル）の助成金を獲得しました。この資金は、持続可能な触媒作用とエネルギー転換への応用を目指し、強相関量子系をモデル化するための量子強化高性能コンピューティング（HPC）手法の開発を目的とする「qHPC-GREEN」プロジェクトを支援します。
ドブラウツの研究は、生物的窒素固定を促進する酵素ニトロゲナーゼなどの生体触媒の理解に焦点を当てています。これは持続可能な肥料生産に革命をもたらす可能性を持つプロセスです。古典的なHPCと量子コンピューティング（QC）を組み合わせることで、このプロジェクトは分割統治戦略を採用しています：システムの弱相関領域はHPCでモデル化し、強相関領域はQCで取り組みます。このハイブリッドアプローチは、現在の量子ハードウェアの限界を克服し、近い将来の量子デバイスでの実用化を目指すように設計されています。
このプロジェクトは、IBMリサーチチューリッヒ、ヴァーレンベルク量子技術センター、Algorithmiq、ユーリッヒスーパーコンピューティングセンターのJUNIQとの協力を活用しています。CASUSのトーマス・D・キューネ所長は、ザクセン州のAIと量子研究戦略を推進するドブラウツの研究の重要性を強調しました。
背景
強相関量子系とは、構成粒子間の相互作用が非常に強く、個々の粒子の振る舞いを単純に足し合わせただけでは全体の性質を説明できない状態を指します。通常の古典的な計算機では、粒子数が増えるにつれて必要な計算量が指数関数的に膨大になり、正確なシミュレーションが困難になります。一方、量子コンピューティングは量子力学の原理を利用するため、こうした複雑な相互作用を持つ系のモデル化において、古典的手法よりも有利な場合があるとされています。
高性能コンピューティング（HPC）は、従来のスーパーコンピュータなどを用いた大規模な並列計算を指します。本プロジェクトでは、計算負荷の低い「弱相関領域」をHPCで処理し、計算が難しい「強相関領域」を量子コンピューティングに委ねることで、現在の量子ハードウェアの制約を補いつつ、実用的な解を得るハイブリッドなアプローチを採用しています。
窒素固定は、大気中の窒素ガスを植物が吸収できる形に変換する過程です。自然界ではニトロゲナーゼという酵素がこれを担っていますが、その反応機構は量子レベルで複雑です。この仕組みを量子技術で解明し、工業的な触媒に応用できれば、従来の高温高圧を必要とする肥料生産プロセスを低エネルギーで実現できる可能性があります。
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2025年2月14日
