Квантовый компьютер с легкостью разделал сложнейший молекулярный код
Квантовые вычислительные системы нередко позиционируются как технология завтрашнего дня, однако уже сейчас они способствуют расшифровке молекулярных загадок в химических исследованиях.
Профессор химии Калифорнийского технологического института Сандип Шарма совместно с коллегами из IBM и японского Центра вычислительных наук RIKEN продемонстрировал синергию квантовых и классических вычислителей при решении комплексных задач. Ученые определили энергетические уровни электронов в молекуле железо-серного кластера [4Fe-4S] — ключевого компонента многих биологических процессов, включая функционирование фермента нитрогеназы, преобразующего атмосферный азот в аммиак для растений.
Традиционные алгоритмы испытывают значительные затруднения при подобных расчетах. Квантовый процессор IBM Eagle упростил постановку задачи, а суперкомпьютер Fugaku в RIKEN завершил вычисления. В эксперименте задействовали до 77 кубитов — существенно больше, чем в предшествующих исследованиях. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Каков же принцип работы? В квантовой химии фундаментальная задача — определение основного состояния системы, соответствующего минимальной энергии. Оно описывается волновой функцией, указывающей вероятное распределение электронов. Точное решение уравнения Шредингера для сложных молекул требует колоссальных вычислительных мощностей.
Классические методы пытаются редуцировать вычисления, исключая «избыточные» данные, что снижает точность. Квантовый компьютер использует иной подход: идентифицирует наиболее значимые элементы матрицы (математической модели системы), после чего суперкомпьютер решает уравнение.
«Пока преждевременно утверждать о безусловном превосходстве квантовых алгоритмов над классическими, однако мы достигли значительного прогресса по сравнению с предшественниками», — отмечает Шарма.
Данная методология может ускорить создание новых материалов, фармацевтических препаратов и катализаторов. Например, понимание механизмов участия железо-серных кластеров в фиксации азота позволит разработать эффективные удобрения или искусственные аналоги нитрогеназы. Метод также перспективен для нанотехнологий — прецизионного проектирования молекулярных структур.
Несмотря на впечатляющие результаты, практическое доминирование квантовых вычислений пока не наступило. 77 кубитов — существенное достижение, однако для революционного скачка необходимы сотни или тысячи стабильных кубитов. Кроме того, алгоритм сохраняет зависимость от классических вычислений, что исключает возможность их полной замены квантовыми системами в обозримой перспективе.
Читайте также: Созвездие суперкомпьютеров на орбите: эксперт оценил новый космический проект КНР