6/21 量子化学計算の基礎理論と計算手法および 量子コンピュータの応用をめぐる最近の動向

北海道大学大学院　理学研究院／WPI-ICReDD　准教授　博士(理学)　小林 正人　氏

専門：理論化学・計算化学・量子化学インフォマティクス

「京」や「富岳」を用いた大規模計算から、小分子の精密計算、ハイスループット計算とインフォマティクスを併用した研究まで、幅広く取り組んでまいりました。
HP：https://sites.google.com/site/chemistmasatokobayashi/　 

 　原子の集合系である化学物質の性質やその反応は、系を構成する原子核と電子の量子力学的な振る舞いによって微視的に理解することができる。計算機を用いてこの量子力学的な振る舞い、すなわち波動関数とエネルギーを求める強力な手法が、量子化学計算である。しかし、古典計算機を用いた場合、厳密な波動関数の計算にかかる時間は本質的に系の大きさ（≒原子数）に対して指数関数的に増大してしまう。この問題を解決するため、様々な近似計算法がこれまでに提案されてきたが、近年の量子コンピュータの登場により、この指数関数の呪縛から解放される可能性がでてきた。
　本講演では、量子コンピュータの登場により他分野からも注目を集めつつある量子化学計算の基礎について概観する。主に古典計算機を用いた場合の計算の概略とボトルネックについて述べるが、量子コンピュータによりどのような解決が見込まれているのかなど、量子コンピュータを用いた量子化学計算を巡る最近の動向にも触れたい。

１．量子化学計算とは
　1.1 Diracの言葉と量子化学計算
　1.2 量子化学計算の前提とハミルトニアン
　1.3 量子化学計算のインプットとアウトプット
 
２．一電子近似：Hartree-Fock（HF）法
　2.1 反対称性原理とSlater行列式、Hartree-Fcok法
　2.2 基底関数展開：Hartree-Fock-Roothaan法
　2.3 Hartree-Fock-Roothaan計算の手続き
　2.4 Brillouinの定理とKoopmansの定理
　2.5 密度汎関数理論（DFT）について
 
３．電子相関と第二量子化、post Hartree-Fock法
　3.1 第二量子化
　3.2 配置間相互作用（CI）法
　　3.2.1 CI波動関数
　　3.2.2 size consistencyについて
　　3.2.3 中間規格化とNesbetの定理
　　3.2.4 CI法と量子コンピュータ：量子位相推定とXia-Bian-Kais変換法
　3.3 Møller-Plesset摂動（MP）法
　3.4 結合クラスター（CC）法
　　3.4.1 古典計算機によるCC法の流れ
　　3.4.2 CC法と量子コンピュータ：ユニタリーCC法と変分量子固有値ソルバ

４．pythonを用いた量子化学計算の実践（時間があれば）

　□質疑応答□ 

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