錆び退治： IBMとボーイング、量子コンピューターによるシミュレーションで腐食と戦う

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量子コンピューティングの現実世界への応用開発に関する地道な研究は、興味深い使用例を積み重ねている。IBMはボーイング社と共同で、機体に使用される複合材を改良するための腐食プロセスのシミュレーションを行ったことを報告した。この例では、錆や腐食との戦いが目標である。

この研究に関する論文は先月、Natureのオンライン版npj Quantumに掲載され、IBMはボーイングの応用数学者、ナム・グエンのインタビューを掲載した； ボーイングの応用数学者であるナム・グエン氏、ボーイングの応用数学計算手法研究グループのアソシエイト・テクニカル・フェロー兼マネージャーであるクリステン・ウィリアムズ氏、そしてIBMリサーチのシニア・リサーチ・サイエンティストであるマリオ・モッタ氏のインタビューを掲載した。

以下、Q&Aの抜粋である：

ウィリアムズ： 腐食は腐食性電解液の存在下で起こります。航空宇宙産業では、湿度の高い環境で稼働する自動車の表面に形成される薄膜がその主な原因です。湿度が高い場所や、乾燥と湿潤の間で湿度が変化する場所ではどこでも、表面に薄膜が形成される可能性があります。そして、表面が保護されていなければ、腐食を引き起こす可能性があるのです。

モッタ：航空機であれ、船体であれ、その他のものであれ、遅かれ早かれ環境との相互作用によって劣化し、使用できなくなります。そこで、科学者たちが計算を行い、既存の材料の腐食の特徴を明らかにし、最終的には現在よりも腐食に強い新材料を提案することが目標となります。しかし、その第一歩は既存の材料で何が起きているかを理解することでなければなりません。

	433量子ビットのIBMオスプレイQPU

この研究は、IBMの量子デバイスと古典システムを組み合わせて行われた。掲載されたIBMの記事にあるように、研究者たちは、水の還元として知られる腐食プロセスの重要なステップの量子シミュレーションを行うための2つの新しい技術を開発した。

IBMは、「量子計算は量子スケール系のモデリングに特に適しているため、研究者らは水の還元反応に関与するエネルギーを、古典的な主要手法よりもはるかに正確に計算することができました」と報告している。研究者らはまた、量子回路を正確かつ自動的に簡略化する新しい手法を考案し、シミュレーションに必要な量子リソースを大幅に削減した。研究者らは、この回路簡略化法は、特定のシミュレーション実験にとどまらず、幅広い応用が期待できるとしている。

以下はインタビューの一部である：

ウィリアムズ： 私たちの目的は、腐食を促進する反応の速度論について、非常に正確な記述と理解を深めることでした。つまり、私たちは本当にミクロのレベルにまでズームインし、水膜が形成された後に金属表面でどのように反応するかを根本的に調べているのです。私たちの意図は、量子コンピューターを使ってこれらの反応を非常に正確にモデル化し、理解できるようにすることです。

モッタ：私たちは、腐食反応の一段階（この場合はマグネシウム表面での水分子の分裂）を取り上げて、量子コンピューターで効果的にシミュレートできるかどうかを調べたいと考えました。水の還元と呼ばれるこの過程は、腐食反応の連鎖の起点となるため、この過程をシミュレートすることは、腐食反応全体のシミュレーションに向けた重要な一歩となります。」

研究チームは、量子コンピューター上で表面上の反応をシミュレーションするための新しいアルゴリズムワークフローを提案している。提案するワークフローは、表面上の分子の反応に特化した埋め込み手法と、近い将来の量子デバイスでの実験を容易にするための回路簡略化手法から構成されている。論文の下図は、古典的な前処理と量子シミュレーションを含む研究の主要部分を示している。

研究チームはこの研究について、「まず、(i)系のDFT電子密度と、構成表面および吸着物のDFT電子密度を重ね合わせたものとの差への寄与、および(ii)基底状態の活性空間エネルギーへの影響に基づいて、活性空間軌道をランク付けして選択する2つの方法を開発し、比較しました」と述べている。次に、変分量子固有値解法を用いて、活性空間におけるシュレーディンガー方程式を解く。

「この目標を達成するためには、量子回路上の活性空間ハミルトニアンの期待値を評価する必要がありました。我々は、クリフォード変換の代数的性質を利用することで、この操作を単純化し、効率化しました。これにより、より少ない量子ビットとゲートで、元の回路よりも深さの浅い等価回路を構成することができます。提案するワークフローを水によるマグネシウムの腐食反応のステップで説明します。基礎となる近似について議論し、計算された物性の精度への影響を評価します。最後に、提案するワークフローをIBMの量子ハードウェアを用いて実証します。」

Q&Aでは概要がわかりやすく説明されており、論文では当然、さらに深く掘り下げられている。

インタビューの中でウィリアムズ氏は、「私たちは量子デバイスを使って、非常に基本的なレベルでエネルギーを計算していました。今日、化学者がこのような計算をする場合、密度汎関数理論（DFT）のようなツールを使いますが、古典的なコンピューティング・ハードウェアで実行できるように、多くの近似を必要とします。DFTは産業界を含め、この分野の主力ツールであるが、化学反応速度の予測精度など、いくつかの点で不十分であることは以前から知られていました。」

「この論文では、水を含むこの非常に基本的な方程式を、量子ハードウェアを使ってエネルギーを再計算すると、DFTよりも正確なエネルギーが得られることを実際に示しました。DFT法は、この同じ反応を研究するために何百もの他の論文で使われています。つまり、この反応を非常に正確に研究するためには、量子力学的な記述が必要であることを示しているのです。」

IBMの記事とQ&Aへのリンク、https://research.ibm.com/blog/boeing-quantum-corrosion

npj量子論文へのリンク、https://www.nature.com/articles/s41534-023-00753-1.epdf?sharing_token=BaGL3KAtVP7f2AUqc5YUt9RgN0jAjWel9jnR3ZoTv0MzxNIuj-XaUgEeODtnNwbH8eQ8KiuHwe9jF0E92UsLMTmq3czaRrlP5MEW3FfMjg-TfprHsLMhZJsHXrkqEMBoG5S27SIVjiPPJyV5C2hJ_qpZHVMSR8IqQvEgctlqy9s%3D