量子物理学による化学結合理論の新枠組みを提案 (Quantum Physics: A Matter of Bonding)

2026-05-28 ミュンヘン大学(LMU)

ドイツ・ミュンヘン大学(LMU)のクリスティアン・シリング博士らの研究チームは、量子情報理論の「量子もつれ」を用いて化学結合を統一的に記述する新しい理論枠組みを開発し、その成果をNature Communications誌に発表した。化学結合は分子や固体材料の性質を決定する基本概念であるが、量子力学的には直接観測できず、その本質的理解は長年の課題だった。研究チームは「最大もつれ原子軌道(MEAOs)」という概念を導入し、原子軌道間の量子もつれパターンから分子内の結合構造を自然に抽出する手法を提案した。この方法は、従来のルイス構造で表される二中心結合だけでなく、ベンゼンの芳香族結合、多中心結合、化学反応中に現れる一時的な結合状態まで統一的に解析できる。研究は化学結合と量子もつれの深い関係を示し、複雑な分子系や従来手法では扱いにくい特殊な結合機構の解析に有効な新しい理論基盤を提供する成果となった。

<関連情報>

化学結合の概念は、最大限に絡み合った原子軌道から自然に生じる Chemical bonding concepts emerge naturally from maximally entangled atomic orbitals

Lexin Ding,Eduard Matito & Christian Schilling
Nature Communications  Published:27 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73527-w

量子物理学による化学結合理論の新枠組みを提案 (Quantum Physics: A Matter of Bonding)

Abstract

Chemical bonding is a nonlocal phenomenon that binds atoms into molecules. Its ubiquitous presence in chemistry, however, stands in stark contrast to its ambiguous definition and the lack of a universal perspective for its understanding. In this work, we rationalize and characterize chemical bonding through the lens of an equally nonlocal concept from quantum information, the orbital entanglement. We introduce the maximally entangled atomic orbitals (MEAOs) whose entanglement pattern is shown to recover both Lewis (two-center) and beyond-Lewis (multicenter) structures, with multipartite entanglement serving as a comprehensive index of bond strength. Our unifying framework for bonding analyses is effective not only for equilibrium geometries but also for transition states in chemical reactions and complex phenomena such as aromaticity. It also has the potential to elevate the Hilbert space atomic partitioning to match the prevalent real-space partitioning in the theory of atoms in molecules. Accordingly, our work provides a new framework for understanding fuzzy chemical concepts using rigorous, quantitative descriptors from quantum information.

1701物理及び化学
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