機械学習手法により物理の難問「量子スピン液体」を解明
スーパーコンピュータ「富岳」も用いた最先端の計算により実現
理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター計算物質科学研究チームの野村悠祐研究員と豊田理化学研究所/早稲田大学理工学術院総合研究所の今田正俊フェロー/上級研究員・研究院教授の共同研究チームは、機械学習を用いた世界で類を見ない高精度手法により、幾何学的フラストレーションのある量子スピン系の解析を行いました。そして、スピンの向きが絶対零度でも整列せずに、量子力学的に揺らぐ「量子スピン液体」相を発見・確証し、存在領域を特定しました。
本研究成果は、量子スピン液体中でスピンが分裂して生じる「スピノン」の性質を解き明かし、これを量子計算への応用につなげるとともに、現実物質で量子スピン液体を実現するための有用な指針を与えるものと期待できます。
人工ニューラルネットワークの一つである制限ボルツマンマシンの構造の概念図
今回、共同研究チームは、機械学習分野で用いられる人工ニューラルネットワークの一種である制限ボルツマンマシンと物理分野で用いられる強力な関数を組み合わせて、スピン間の高度な量子もつれを学習させる手法を構築しました。スーパーコンピュータ「富岳」などでこの手法を用いた大規模計算を行い、2次元正方格子上のフラストレーションのある量子スピン模型を世界最高レベルの精度で解析した結果、フラストレーションが強くなる領域において、量子スピン液体相の存在の確証を得ました。さらに、実現した量子スピン液体相の励起構造も調べ、通常のスピンの励起が分裂し、分裂した粒子が独立した粒子のように振る舞う分数化という現象を捉えました。
本研究は、オンライン科学雑誌『PhysicalReviewX』（8月12日付）に掲載されました。
論文情報
＜著者名＞Yusuke Nomura and Masatoshi Imada
＜DOI＞10.1103/PhysRevX.11.031034
研究支援
本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業基盤研究（S）「強相関物質設計と機能開拓―非平衡系・非周期系への挑戦―（研究代表者：今田正俊）」、同若手研究（B）「強相関物質における格子自由度の役割解明とフォノンがもたらす機能物性の探索（研究代表者：野村悠祐）」、同基盤研究（B）「高次元データの次元圧縮によって実現する磁性と超伝導の第一原理計算（研究代表者：大槻純也）」、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム「量子物質の創発と機能のための基礎科学―「富岳」と最先端実験の密連携による革新的強相関電子科学（研究代表者：今田正俊）（課題番号：hp200132, hp210163）」、ポスト「京」重点課題（7）「次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料の創成」サブ課題C「超伝導・新機能デバイス材料（研究代表者：今田正俊）（課題番号：hp170263, hp180170, hp190145）」による支援を受けて行われました。
また、本研究には東京大学物性研究所のスーパーコンピュータおよび理研のスーパーコンピュータ「京」、「富岳」が使用されました。
