Research themes

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現在の主な研究テーマは, 第一原理量子モンテカルロ法に係る方法論開発と, 開発した理論の汎用計算コードとしての実装である. 物質の化学的/物理的な性質を司る「電子」の量子力学的性質は, シュレーディンガー方程式を解くことにより原理的には予測できる. しかし, 特殊な例を除いて, 解析解は得られないため, 通常は, 大型計算機による第一原理計算により, 数値的にその解を求める. 現在, 最も普及している第一原理計算は、波動関数理論 (Wavefunction theory), もしくは, 密度汎関数理論 (Density Functional Theory:DFT)に基づく方法であり, 量子化学/材料科学/物性物理学分野において, 数多くの成功を収めている. しかしながら, 波動関数法においては, 周期境界の扱いが難しい, 及び, 電子数に対する計算コストのスケーリングが悪い等の問題点が, 密度汎関数法においては, 交換相関汎関数の選択によって大きく予見が変わる等の大きな問題点があり, より厳密な, 次世代の電子状態計算開発が望まれてきた.

第一原理量子モンテカルロ法 (ab initio Quantum Monte Carlo:QMC)は, モンテカルロ積分を利用して多体シュレーディンガー方程式を数値的に解くことで物質の電子状態を解く方法であり, 現在の電子状態計算手法の内で, 最も厳密解に近い解が得られる手法である. 密度汎関数法とは異なり, 交換汎関数選定に起因する恣意性が排除可能, 原理上並列計算が容易であり大型計算機の性能をほぼ100%発揮できる等の特徴があり, 既存の電子状態計算を上位互換として置き換えうる破壊的なイノベーションとしてのポテンシャルを有している. これまでは, 計算コストの大きさから, 実際の材料研究において興味が持たれる実用的な材料への適用が難しかったが, 日本の理化学研究所の富岳など, エクサスケール級スーパーコンピューターが実用化されたことにより, 現実的な計算時間で, 応用計算が可能となっている. しかしながら, 方法論の限界, 及び, 汎用ソフトウェアの未整備のため, 現行の波動関数法や密度汎関数法を置き換えるには至っておらず, 従来の問題点を解決する新規法論の開発と, そのソフトウェアパッケージとしての実装が, 多くの研究グループによって精力的に進められている.

現在, 研究活動の核である, 第一原理量子モンテカルロ法を実装する計算コードとしては, 2つのパッケージを開発している. 1つ目は, 第一原理量子モンテカルロ法計算のカーネル部分を実装する TurboRVB である. この計算コードは, Sandro Sorella教授 (International School for Advanced Studies/Italy) と Michele Casula CNRS研究員 (Sorbonne University/France) によって, おおよそ20年前に開発が開始され, これまで数多くの研究者が開発に関わってきた. 私は, 2017年ごろから開発に参加した. 亡くなったSandro Sorella教授の代わりに, 現在は主開発者として, コードの開発, 及び, 保守を行なっている. TurboRVBはFortran90で書かれており, 現在, Modernな書き方にRefactoring中である (貢献してくれる人を大募集). 2つ目は, TurboGenius である. TurboGeniusは, TurboRVBをカーネルとするハイスループット第一原理量子モンテカルロ計算を実現するために設計された, オープンソースの Python パッケージである. 第一原理量子モンテカルロ計算は, 試行波動関数の生成から始まる複雑な計算手順を必要とするが, TurboGeniusはこの手順を Python スクリプト上で自動化するものであり, ハイスループット計算を可能にした. TurboGeniusは第一原理量子モンテカルロ計算の自動化のみならず, TurboRVBの計算機能も拡充した. 例えば, TurboRVBは, これまでは, 試行多体波動関数の生成にbuilt-inの密度汎関数法モジュールを利用していたが, DFT+U計算が実装されていない等の問題があった. TurboGeniusに実装された多体波動関数のフォーマット変換機能により, 局在基底を利用する他のDFT計算コード (e.g., PySCF, CRYSTAL23, Gaussian)が, 試行多体波動関数の生成に利用できるようになった.

現在進行中, 及び, 今後の研究テーマとしては以下のようなものを考えている.

• 第一原理量子モンテカルロ法による物性推算手法、特に、力の計算に関する方法論開発と, TurboRVBへの実装.

• 周期境界条件下の第一原理量子モンテカルロ法に適切な局在基底 (Gaussian基底)データベースの構築.

• Jastrow関数のパラメトライズに適切な局在基底 (Gaussian基底)データベースの構築.

• TurboRVB及びTurboGeniusの大規模コードリファクタリング.

• TurboWorkflowsを用いたスクリーニング計算に基づく, マテリアルズ・インフォマティクスの展開.

• 第一原理量子モンテカルロ法の計算データを利用した(機械学習)分子動力学力場の構築と応用.

• Pythonを使った, 新しい第一原理QMC計算コードの実装

• 他, 多数.

現在, 研究室を主宰しているわけではないが, 独立研究者として, 所属する研究機関において独立に研究活動を行なっている. 所属する研究機関は, 国立研究開発法人であり, 直接学位は出せないが, 連携大学院制度 を利用して, 修士課程, 及び, 博士課程の学生を受け入れることは可能である (筑波大学, 北海道大学, 早稲田大学, 九州大学, 大阪大学, 横浜国立大学). 興味のある学生は, 是非ご連絡頂ければと思う. 共同研究者は、欧州の研究機関(UCL(英)、CNRS(仏)、SISSA(伊)、UZH(瑞)など)に所属しており、頻繁にオンライン会議、および、面着で、研究の議論やコーディングを行っている. したがって, 研究遂行においては, 英語でのコミュニケーションスキルは必須となる. すぐは話せなくても問題ないが, 努力は必要になる. 海外への短期滞在の機会もそれなりにあるので, 海外出張に対する慣れも求められる.