Компания Google провела крупнейшее химическое исследование на квантовом компьютере

Квантовый компьютер Sycamore от компании Google вновь удивил мир. На этот раз учёные провели с его помощью самое сложное химическое моделирование, которое когда-либо выполнялось на квантовых процессорах.

Исследователи надеются, что уже скоро подобные устройства будут рассчитывать химические реакции лучше классических машин. И тогда нас ждёт революция в производстве материалов, лекарств, аккумуляторов и других полезных вещей.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science.

Голубая мечта химиков – научиться на кончике пера конструировать вещества с заданными свойствами: прочные материалы, эффективные лекарства и так далее. У науки есть впечатляющие успехи на этом фронте. Например, моделирование на суперкомпьютере позволяет отобрать потенциально действенные противовирусные препараты. Однако до веществ "по заказу" всё ещё далеко.

Причина в сложности расчётов. Химические реакции, в процессе которых одни молекулы превращаются в другие, протекают по законам квантовой механики. Эти законы давно и хорошо известны. Однако знание закона позволяет лишь записать нужное уравнение. Но это только половина дела: его ведь требуется ещё и решить. И зачастую для этого нужна такая громада вычислительных операций, перед которой пасуют даже суперкомпьютеры.

Иное дело – квантовые компьютеры. Они сами работают по квантовым законам, поэтому моделировать квантовые процессы (в том числе и химические реакции) с их помощью гораздо проще, чем с использованием классических машин. К слову, именно это в прошлом году позволило Sycamore впервые в истории квантовых вычислений решить задачу, непосильную для мощнейшего из классических компьютеров.

Если так, почему же моделирование химических реакций на квантовых компьютерах до сих пор не стало обычным делом? Одна из главных причин в том, что квантовые процессоры очень уязвимы к внешним помехам. Даже мельчайшие колебания температуры и других параметров влияют на работу системы, вызывая вычислительные ошибки.

Авторы нового исследования использовали изощрённую методику коррекции ошибок. Они рассматривали квантовый процессор как искусственную нейронную сеть. Такие системы известны своей способностью отделять полезный сигнал от шума, что позволяет им, например, распознавать нужные объекты на фотографиях.

Специалисты применили ещё несколько хитроумных методов, чтобы защитить систему от сбоев. В итоге, чтобы обеспечить правильную работу Sycamore, им пришлось автоматически контролировать более двух тысяч параметров (!). Эти ухищрения и помогли исследователям провести самое сложное в истории квантовых компьютеров химическое моделирование.

Учёные решали две задачи. Во-первых, они рассчитывали энергию основного состояния цепочек из атомов водорода, содержащих 6, 8, 10 и 12 атомов. Во-вторых, исследователи моделировали поведение молекулы диазена (N₂H₂). Это вещество существует в двух разновидностях, которые различаются пространственным расположением атомов в молекуле. Специалисты воспроизводили на квантовом компьютере превращение одной разновидности в другую.

Расчёты проводились на 12 кубитах (квантовых битах) из 54, имеющихся у Sycamore. Это вдвое превосходит предыдущий рекорд по числу кубитов, использованных для химического моделирования. Рекорд по количеству операций на квантовых логических элементах был побит с ещё более впечатляющим отрывом: предыдущее достижение удалось превзойти десятикратно.

Авторы подчёркивают: моделирование было достаточно точным, чтобы спрогнозировать результаты реальных химических реакций, которые можно воспроизвести в лаборатории.

При этом исследователи признают, что задача, решённая Sycamore в этом исследовании, могла быть решена и классическим (не квантовым) компьютером. Но использованные методы допускают моделирование и более сложных процессов, недоступных для воспроизведения на традиционном суперкомпьютере. А это означает, что данную работу можно считать новой вехой наступающей эры квантовых вычислений.

Добавим, что учёные разместили написанный ими программный код в свободном доступе. Теперь любой исследователь может воспользоваться разработанными алгоритмами или улучшить их.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о библиотеке программ для квантового искусственного интеллекта, выпущенной корпорацией Google. Писали мы и о мощнейшем в мире квантовом компьютере.