Профессор химии из Калтеха Сандип Шарма вместе с коллегами из IBM и японского Центра вычислительных наук RIKEN показал, как квантовые и классические компьютеры могут работать в паре, чтобы решать сложные задачи. Ученые вычислили энергетические уровни электронов в молекуле железо-серного кластера [4Fe-4S] — важного компонента многих биологических процессов, например, работы фермента нитрогеназы, который превращает азот из воздуха в аммиак, необходимый растениям.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

Обычные алгоритмы с трудом справляются с такими расчетами. Квантовый компьютер на процессоре Heron от IBM помог упростить задачу, а суперкомпьютер Fugaku в RIKEN довел вычисления до конца. В работе использовали до 77 кубитов — это намного больше, чем в предыдущих экспериментах.

Как это работает

• В квантовой химии ключевая задача — найти основное состояние системы, то есть ее минимальную энергию.
• Оно описывается волновой функцией, которая показывает, где вероятнее всего находятся электроны.
• Чтобы ее вычислить, нужно решить уравнение Шредингера, но для сложных молекул это требует огромных ресурсов.

Классические алгоритмы пытаются упростить расчеты, отбрасывая «лишние» данные, но это не всегда точно. Квантовый компьютер здесь действует иначе: он выделяет самые важные части матрицы (математической модели системы), а суперкомпьютер уже решает уравнение.

Мы еще не можем сказать, что квантовые алгоритмы однозначно лучше классических, но мы продвинулись дальше, чем кто-либо до нас, — говорит Шарма.

Этот подход может ускорить разработку новых материалов, лекарств и катализаторов. Например, если мы поймем, как именно железо-серные кластеры участвуют в фиксации азота, можно создать более эффективные удобрения или даже искусственные аналоги нитрогеназы. Также метод пригодится в нанотехнологиях — для точного проектирования молекулярных структур.

Хотя работа впечатляет, пока рано говорить о практическом превосходстве квантовых вычислений. 77 кубитов — серьезный шаг, но для реального прорыва нужны сотни или тысячи устойчивых кубитов. Кроме того, алгоритм все еще опирается на классические вычисления — значит, полностью заменить их квантовые компьютеры пока не могут.

Ранее мы разбирались, что такое квантовый компьютер.