Квантовый компьютер помогает разгадать молекулярные загадки в химии

Квантовые вычислительные системы, которые традиционно считаются технологиями будущего, уже сегодня находят практическое применение в химических исследованиях. Профессор химии Калифорнийского технологического института Сандип Шарма, совместно с коллегами из IBM и японского Центра вычислительных наук RIKEN, продемонстрировал эффективное использование синергии квантовых и классических вычислителей для решения сложных химических задач.

Исследование фокусировалось на определении энергетических уровней электронов в молекуле железо-серного кластера [4Fe-4S] — важнейшего компонента множества биологических процессов, таких как деятельность фермента нитрогеназы, который преобразует атмосферный азот в аммиак для растений. Традиционные методы сталкиваются с трудностями при вычислении таких задач, но квантовый процессор IBM Eagle значительно упростил процесс, а суперкомпьютер Fugaku завершил вычисления. Для этого эксперимента было использовано до 77 кубитов, что на порядок больше, чем в предыдущих исследованиях.

Главной задачей квантовой химии является определение основного состояния системы, что соответствует минимальной энергии молекулы. Это состояние описывается волновой функцией, которая определяет вероятное распределение электронов. Для решения уравнения Шредингера для сложных молекул требуется огромная вычислительная мощность, что делает квантовые вычисления идеальным инструментом.

В отличие от классических методов, которые уменьшают вычисления, исключая избыточные данные, квантовый компьютер использует иной подход: он выделяет наиболее важные элементы системы и затем передает задачу суперкомпьютеру для завершения расчетов.

Хотя квантовые вычисления пока не могут полностью заменить классические методы, результаты данного эксперимента считаются значительным шагом вперед. Этот подход имеет потенциал ускорить создание новых материалов, препаратов и катализаторов, а также быть полезным в нанотехнологиях и прецизионном проектировании молекул.

Несмотря на впечатляющие результаты, для революционного скачка в квантовых вычислениях необходимо увеличить количество стабильных кубитов, а алгоритм все еще зависит от классических вычислений, что ограничивает его применение в ближайшем будущем.