Quemix 與本田技術研究所研發新技術，利用量子電腦實現材料數位轉型（Material DX）核心技術「密度泛函計算」的指數級加速

隸屬於 TerraSky Co., Ltd. 集團，致力於量子電腦演算法與軟體研發的 Quemix Inc.，以及本田技研工業株式會社旗下研發部門本田技術研究所，在共同研發中取得了突破性成果，開發出全球首個能使材料數位轉型（Material DX）核心技術「密度泛函理論（DFT）」計算速度實現指數級提升的量子演算法。

目前，作為材料計算基石的 DFT 計算，被視為影響所有材料研發領域的關鍵核心技術。透過開發出這款用於加速 DFT 計算的量子演算法，我們成功開啟了在傳統電腦上難以實現的大規模系統進行 DFT 計算的可能性。未來將此演算法應用於實際工作中，預計將能加速本田技術研究所所專注的新材料研發進程。

【背景：Material DX 的核心「DFT」與對量子電腦的期待】
近年來，材料研發現場迫切需要從傳統基於「經驗與直覺」的實驗主導型，轉向利用計算科學的「材料數位轉型（Material DX）」。Material DX 的核心技術即為電子狀態計算方法——密度泛函理論（DFT）。DFT 因為能在原子級別預測物質屬性，是現代材料設計中不可或缺的工具。

另一方面，量子電腦被視為下一代計算平台。全球正加速研究如何利用量子電腦，實現傳統古典電腦難以達成的模擬「高速化」與「高精度化」。

【過去的課題：偏重高精度與高速化演算法的缺失】
過去，利用量子電腦進行材料模擬的研究多半聚焦於「高精度化」，原因在於量子電腦擅長嚴謹處理「電子間交互作用（電子間斥力）」。

- 高精度化對象：解析電子間交互作用極強的「強相關物質」或光反應等「激發態」。

課題：然而，產業界需求極高的藥物、半導體、電池材料等，多被歸類為「弱相關物質」。針對這些材料，DFT 計算已足夠，因此相比於高精度化，更需要的是計算的高速化與大規模化。

此外，關於 Material DX 的核心——DFT 計算的高速化，過去並無有效的量子演算法。究其原因，是因為將 DFT 計算中特有的非線性運算過程整合進量子電腦的線性運算體系中，在技術上極為困難。

具體而言，DFT 計算過程中包含的「格拉姆-施密特正交化法（Gram-Schmidt orthogonalization）」屬於非線性運算，在量子電路實作上一直是大難題。此外，在評估總能量時，該公式本身定義為電子密度分佈的非線性泛函，因此傳統方法必須逐次讀取（採樣）電子密度分佈。這種讀取伴隨的巨大計算成本，成為阻礙實用化的重大瓶頸。

【本次成果：開發全球首個 DFT 高速化演算法】
Quemix 與本田技術研究所成功開發出全球首個利用量子電腦實現 DFT 計算指數級加速的新型量子演算法。本演算法開發出規避格拉姆-施密特正交化法的新型量子演算法，並構建了一種無需讀取電子密度，直接從 QPE（量子相位估計）電路的採樣結果計算 DFT 總能量的方法。藉此，我們在全球首次構建出無需讀取電子密度分佈的高速 DFT 計算方案。

■ 實證實驗結果
我們在模擬器上執行了開發出的演算法，確認了以下各點：

- 指數級加速：確認隨著計算規模增大，計算時間較傳統演算法呈現指數級縮短。
- 等同傳統方法的精度：在計算原子間距離與結構常數（晶體結構參數）時，成功獲得與傳統 DFT 毫不遜色之高精度結果。
- 先進的物性預測：證實了能夠計算決定材料電性之「電子能帶結構」。