Developments and Applications of free energy calculations with quantum chemical effects of solvation

溶剂化量子化学效应自由能计算的进展和应用

• 批准号: 20K03885
• 负责人: 渡邉 宙志
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K03885/
• 关键词: 水素イオン; プロトン輸送; 分子動力学; QM/MM法; 量子化学計算; 量子コンピューティング; 溶媒和効果; 自由エネルギー; 分子動力学計算; 分子シミュレーション; 凝縮系

これまでの研究で、QM/MM法において溶液中のプロトン移動のダイナミクスの取り扱いを可能にするフレームワークを構築した。これをもとにしたベンチマーク計算において、プロトンが時間的に間をおいて順々に水分子の間をジャンプしていくのは、比較的安定して取り扱うことができることが確認された。一方、一列に並んだ水分子間でほぼ同時にプロトン移動が起こるような状況（例えば水チャネルタンパク質中など）では、計算が不安定になることが判明した。これを防ぐ一つの方法としては量子的な取り扱いをするQM領域のサイズを拡張することあるいは高速化することであるが、現在の計算機において計算コストの問題から現実的ではない。そこで本年度はQM領域に適用する計算方法に量子コンピュータを用いる枠組みを検討した。量子コンピュータ上で量子計算を実行するアルゴリズムは二つに大別されるが、今回は現在のノイズの大きいデバイス上で実行可能な変分量子固有値法を対象とした。ただしこの方法は、ハミルトニアンの期待値をコストと見立てて最適化を行うことで、対象系の基底状態を求める方法である。量子ビット数が大きくなると最適化が進行しないなどの欠点があることが知られており、この問題を回避するには適切な量子回路設計が重要となる。そのために我々は回路構造最適化法に着目した。これはコスト関数の最適化の最中に回路構造も同時に変化(最適化)させるものである。ただし従来の方法では、この最適化は単一量子ビットゲートに関して３つの回転軸をXYZの中から不連続に選択するものであった。我々は従来法を拡張/改善し連続的に単一量子ビットを連続的に、すなわち複数の自由度を同時にそして解析的に最適化する方法を提案した。これにより比較的に浅いに高い表現能力を持たせることが可能となり、効率的に最適化つまりハミルトニアンの基底状態を算出することが可能になった。

In this study, QM/MM method was used to construct the solution for the possible solution migration. The time between the calculation and the comparison of the stability of the water molecule is confirmed. A square, a column of water molecules, a simultaneous movement of water molecules, a situation (e.g., water molecules), a calculation of instability, a judgment. This is the first time that a computer has been used to solve the problem of quantum computing. This year's application of quantum computing methods in QM fields is discussed. Quantum computing is carried out on the basis of quantum theory, and it is possible to carry out quantum computation on the basis of quantum theory. The method of Quantum circuit design is important for quantum circuit optimization. The optimization method of loop construction is introduced. The optimization of the optimal number of components and the optimization of the optimal structure of the loop are also discussed. The method of optimization is based on the following three aspects: We propose a new method for optimizing the number of degrees of freedom in a single quantum system. This comparison is based on the calculation of the base state of the ability to perform efficiently and efficiently.

项目成果

回転軸選択法による量子回路最適化

使用旋转轴选择方法的量子电路优化

• 发表时间: 2021
• 作者: 渡邉宙志;Rudy Raymond;大西裕也;上西慧理子;菅原道彦
• 通讯作者: 菅原道彦

Dynamics Simulation of Solution System Based on Quantum/Classical Hybrid Model―Toward Incorporation of Quantum Chemical Effect of Solvation

基于量子/经典混合模型的溶液系统动力学模拟——考虑溶剂化的量子化学效应

• DOI: 10.11316/butsuri.76.2_81
• 发表时间: 2021
• 期刊: Butsuri
• 作者: Marcel Holtmann;Peter Krüger;Koji Miyamoto;Taichi Okuda;Pascal J. Grenz;Shiv Kumar;Kenya Shimada;and Markus Donath;渡邉 宙志
• 通讯作者: 渡邉 宙志

Proton transfer in bulk water using the full adaptive QM/MM method: integration of solute- and solvent-adaptive approaches

使用完全自适应 QM/MM 方法在散装水中进行质子转移：溶质和溶剂自适应方法的集成

• DOI: 10.1039/d1cp00116g
• 发表时间: 2021
• 期刊: Physical Chemistry Chemical Physics
• 影响因子: 3.3
• 作者: Hiroshi C. Watanabe; Masayuki Yamada;Yohichi Suzuki
• 通讯作者: Yohichi Suzuki

Sequential Quantum Optimizer of Parameterized Quantum Circuits for Generalized Eigenvalue Problems

广义特征值问题的参数化量子电路的顺序量子优化器

• 发表时间: 2023
• 作者: 佐藤 勇気;渡邉 宙志;Raymond Rudy;近藤 瑠歩;和田 凱渡;遠藤 克浩;菅原 道彦;山本 直樹
• 通讯作者: 山本 直樹

Proton transfer in bulk water using the full adaptive QM/MM method

使用完全自适应 QM/MM 方法在散装水中进行质子转移

• 发表时间: 2021
• 作者: MIYASHITA Akira;MUKAI Kiyofumi;OHSHIMA Shinsuke;MATOIKE Ryota;PETERSON Byron J.;KOBAYASHI Shinji;OKADA Hiroyuki;KADO Shinichiro;MINAMI Takashi;MIZUUCHI Tohru;KONOSHIMA Shigeru;NAGASAKI Kazunobu;福山 隆雄，末吉 悠太郎，西田 直輝;Hiroshi C. Watanabe
• 通讯作者: Hiroshi C. Watanabe