理論化学：結晶構造予測のための最適性の保証

結晶材料は基幹技術を可能にし、その特性は構造によって決まる。従って、結晶構造の予測は、新しい機能性材料の設計において中心的な役割を果たし得る。ポテンシャルエネルギー面上での構造的極小値を特定する、効率的な発見的問題解決法が開発されている。こうした方法は、原理的には全ての配置を調べることができる場合が多いが、最小エネルギー構造が見いだされたという保証はない。今回我々は、組み合わせ最適化と連続最適化を組み合わせることで単位格子内の全ての未知原子位置を見つけるアルゴリズムによって、結晶材料の構造がエネルギー保証付きで予測できることを示す。我々は、格子上の全原子の最小エネルギー周期配置を見つける組み合わせタスクを、整数計画法の数学的最適化問題として符号化し、十分に開発されたアルゴリズムを用いて大域的最適解の保証付き特定を可能にした。次に、得られた原子配置を一度局所的に極小化すると、解の手掛かりとなる無機材料の正確な構造に直接到達し、明確な仮定の下でエネルギー的最適性が得られた。結晶構造予測のこの定式化によって、アルゴリズムの理論とのつながりが確立され、観測または予測される材料の絶対エネルギー状態が得られる。そうした定式化は、発見的またはデータ駆動型の構造予測法のための真値（ground truth）をもたらすとともに、量子アニーラーに特異的に適しており、原子配置の組み合わせ爆発を克服する道を開く。

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