RIES

Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University

北海道大学
電子科学研究所

LAST UPDATE 2024/08/09

  • 研究者氏名
    Researcher Name

    水野雄太　Yuta MIZUNO
    助教　Assistant Professor

  • 所属
    Professional Affiliation

    北海道大学電子科学研究所
    Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University

    附属社会創造数学研究センター データ数理研究分野
    Research Center of Mathematics for Social Creativity, Molecule & Life Nonlinear Sciences Laboratory

  • 研究キーワード
    Research Keywords

    化学動力学
    反応速度論
    化学反応ネットワーク
    力学系理論
    動的モード分解
    数理最適化
    組合せ最適化
    列挙アルゴリズム
    量子コンピュータ
    イジングマシン
    Chemical Dynamics
    Chemical Kinetics
    Chemical Reaction Networks
    Dynamical Systems Theory
    Dynamic Mode Decomposition
    Mathematical Optimization
    Combinatorial Optimization
    Enumeration
    Quantum Computers
    Ising Machines
研究テーマ
Research Subject
複雑化学システム解析のための量子/イジング計算技術
Quantum/Ising Computing for Complex Chemical Systems Analysis

研究の背景 Background

細胞や化学プラントなどの複雑化学システムの解析に関する下記の問題は，従来計算技術では膨大な計算量を要する計算困難な問題である．

(1) 化学反応ネットワーク上の経路探索問題（応用例：有機合成計画，代謝経路解析）

(2) 化学反応における原子マッピング問題（応用例：機械学習による反応予測，代謝経路解析）

(3) 化学反応システムの確率論的速度論解析（応用例：細胞動態の理解・予測・制御）

The following problems for complex chemical systems analysis are computationally hard problems for conventional computers:

(1) Finding pathways in chemical reaction networks (applications: organic synthesis planning, metabolic pathway analysis)

(2) Atom mapping of chemical reactions (applications: machine learning for reactivity prediction, metabolic pathway analysis)

(3) Stochastic kinetic analysis of chemical reaction systems (applications: the dynamic analysis of biological cells)

研究の目標 Outcome

本研究では，複雑化学システム解析のための量子/イジング計算技術を開発する．組合せ最適化問題に特化した専用計算機であるイジングマシンを用いることで，上記の問題(1)(2)の解法の効率化を目指す．量子重ね合わせや量子もつれなどを活用し計算をおこなう量子コンピュータを用いることで，上記の問題(3)の解法の効率化を目指す．

In this study, we develop quantum/Ising computing techniques for complex chemical systems analysis. We aim to improve the efficiency of solving the above problems (1) and (2) by using Ising machines, which are specialized computers for combinatorial optimization problems. We also aim to improve the efficiency of solving the above problem (3) by using quantum computers that perform calculations utilizing quantum superposition and quantum entanglement.

研究図Research Figure

Fig.1. An example of a chemical reaction network and a pathway: The Solvay process. [Reproduced from Phys. Rev. Research 6, 013115 (2024).]

Fig.2. Synthesis pathway found by a D-Wave Advantage quantum annealer. [Adapted from Phys. Rev. Research 6, 013115 (2024).]

文献 / Publications

Yuta Mizuno and Tamiki Komatsuzaki, Finding optimal pathways in chemical reaction networks using Ising machines, Phys. Rev. Research 6, 013115 (2024).

Yuta Mizuno and Tamiki Komatsuzaki, A quantum algorithm for dynamic mode decomposition integrated with a quantum differential equation solver, arXiv.2310.17783v3 (2024).

研究者HP