原子レベルで動く世界最高速量子シミュレーター

日本にある自然科学研究機構分子科学研究所の大森賢治教授と協力者グループが、10億分の1秒以内に、互いに相互作用し合っている多数の粒子の量子メカニカルダイナミクスを得るための、世界最高速シミュレーターの開発に成功しました。

多電子間相互作用力学は、超伝導、磁性、化学反応を含む、多岐に渡る重要な物理的化学的現象を司っています。上述の互いに相互作用し合っている多粒子集団は、強相関電子系と呼ばれています。強相関電子系の性質を理解することは、それ故に、近代科学の中心的目標の一つになっています。しかし、強相関電子系の性質を理論的に予測することは、2020年までに完成予定の日本のポスト「京」を使ったとしても非常に困難です。

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強相関電子系

World’s fastest quantum simulator operating at the atomic level

For example, the post-K cannot even calculate the precise energy, the most basic property of matter, when the number of particles in the system is more than 30. Instead of calculating with a classical computer such as the post-K, an alternative concept, a “quantum simulator,” has been proposed, in which quantum mechanical particles such as atoms are assembled into an artificial strongly correlated system whose properties are known and controllable. The latter is then used to simulate and understand the properties of a different strongly correlated system whose properties are not known.

「例えば、ポスト「京」は、系の粒子数が30を超えると、物質の最も基本的な性質である正確なエネルギーを計算することさえできません。ポスト「京」等の古典的計算機を使って計算するか代わりに、原子などの量子力学粒子が、その性質が、既知で制御可能な人工強相関電子系に組み込まれた、代替概念である量子シミュレーターが提案されました。後者はその後、その性質が謎である別の強相関電子系の性質をシミュレートして理解するために使われます。」

ポスト「京」・フラッグシップ2020プロジェクトは、開発が完了するのが、2022年までずれ込むみたいです。演算性能を現在の京よりも100倍高速化し、エクサスケールスーパコンピューターになることが予想されています。中国も2020年までにエクサスケールスーパーコンピュータ開発を目指しているので、エクサスケールスパコンは中国に先を越されそうですが、実用性という観点から言えば、ポスト京は最強パソコンになるのではないでしょうか。問題はアメリカがトランプ大統領になった事で、こういった分野の開発が大幅に遅れるのではないかと危惧されています。その一方で、強いアメリカを目指すトランプ氏は、こういった分野の開発を最優先するのではないかとも言われています。

エクサスケールスパコンでもシミュレート不能なシミュレーションを、量子コンピュータは一瞬でこなしてしまうらしいので、凄過ぎるとしか言えません。

量子シミュレータ

The team has now developed a completely new quantum simulator for the dynamics of a strongly correlated system of more than 40 atoms within one billionths of a second. This has been realized by introducing a novel approach in which an ultrashort laser pulse at a pulse-width of only 100 billionths of a second is employed to control a high-density ensemble of atoms cooled to temperatures close to absolute zero. Furthermore, they have succeeded in simulating the motion of electrons of this strongly correlated system that is modulated by changing the strength of interactions among many atoms in the ensemble.

「チームは既に、10億分の1秒以内で原子40個以上から成る強相関電子系の動力学を得る、完全に新しい量子シミュレータを開発しています。これは、たった1000億分の1秒のパルス幅の超短レーザーパルスが、絶対零度近くの温度まで冷却された高密度原子集団を制御するために使われる、全く新しい手法を導入する事で実現しています。さらに、彼らは、集団中の多数の原子の間の相互作用の強さを変えることで調節されるこの強相関電子系の電子の運動をシミュレートすることに成功しました。」

10億分の1秒はナノ秒、1000億分の1秒は10ピコ秒

超高速量子シミュレータ

This “ultrafast quantum simulator” is expected to serve as a basic tool to investigate the origin of physical properties of matter including magnetism and, possibly, superconductivity.

「この超高速量子シミュレータは、磁性ともしかすると超伝導を含む、物質の物理的性質の機嫌を詳しく調べるための基本ツールとなる事が期待されています。」

ただの量子シミュレータではなく、超高速量子シミュレーターのようです。超伝導関連の研究にも利用可能っぽいので、かなり期待が持てます。

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