Квантові обчислення забезпечать прориви в хімії. Яким чином?

Очікується, що квантові обчислення дозволять нам вирішувати обчислювальні задачі, які не можуть бути вирішені існуючими класичними методами обчислень. В даний час прийнято вважати, що перша дисципліна, яка отримає потужний поштовх від квантових досягнень, це квантова хімія. У 1982 році фізик, лауреат Нобелівської премії Річард Фейнман зауважив, що симуляція, а потім і аналіз молекул — настільки складна справа для цифрового комп’ютера, що він стає практично марним для цих справ.

І проблема полягала не в тому, що рівняння, що управляють цими симуляціями, були складними, немає. По суті, вони були відносно простими і прямолінійними, та знали про них багато років. Проблема полягала в тому, що більшість вакансій вчених молекул містили сотні електронів, і кожен з цих електронів взаємодіяв з кожним іншим електроном квантово-механічним способом — що призводило до мільйонів взаємодій, які не міг обробити навіть самий потужний комп’ютер.

Квантові комп’ютери

Щоб подолати квантову природу цих рівнянь, Фейнман запропонував створити квантові комп’ютери, які будуть виконувати обчислення, ґрунтуючись на законах квантової фізики, в якості відповіді. На жаль, таке точне маніпулювання окремими квантовими об’єктами було практично неможливо з технічної точки зору. Жарт, яка встигла багатьох втомити за останні 35 років, полягала в тому, що квантові комп’ютери «будуть через десять років».

За останні пару років те, що колись було далекою мрією, повільно втілилося в реальність. Квантові комп’ютери починають з’являтися, мільйони програм працюють через хмару, корисні додатки набувають форми.

Потужність квантового комп’ютера можна приблизно оцінити кількістю кубітів, або квантових бітів: кожен кубіт може бути і 1, і 0 одночасно. Існує кілька багатообіцяючих апаратних підходів до квантових обчислень, включаючи надпровідність, іонні пастки і топологічні транзистори. У кожного з них є плюси і мінуси, але надпровідники займають перше місце в плані масштабності. Google, IBM і Intel використовують цей підхід для створення квантових процесорів в діапазоні від 49 до 72 кубітів. Якість кубіта також постійно поліпшується.

Прорив в хімії

Прорив вчених з Центру квантових обчислень Кембриджа та їх партнерів з JSR Corp полягав у здатності моделювати мультиреференсные стану молекул. Мультиреференсные стану найчастіше необхідні для опису «збуджених станів», які з’являються, коли молекули взаємодіють.

Причина того, що подібне моделювання має важливе значення, полягає в тому, що класичні цифрові комп’ютери практично нічого не можуть вдіяти з мультиреференсными станами; у багатьох випадках класичні методи обчислень не тільки кількісно, але і якісно не в змозі описати електронну структуру молекул.

Важлива проблема, яка нещодавно була вирішена, полягала в тому, щоб знайти способи, якими квантовий комп’ютер міг би ефективно виконувати розрахунки і з необхідної хімічної точністю для реального світу. Програма була запущена на 20-кубитном процесорі IBM.

Чому хімія потрапила в поле такого інтересу? Хімія — одна з найвигідніших комерційних додатків з ряду причин. Вчені розраховують знайти більш енергоефективні матеріали, які можна буде використовувати в акумуляторах або сонячних панелях. Існують також екологічні переваги: близько двох відсотків енергії в світі йде на виробництво добрив, які жахливо неефективні та можуть бути поліпшені шляхом складного хімічного аналізу.

Нарешті, існують програми в персоналізованої медицини, з можливістю передбачати, як фармацевтичні препарати будуть впливати на людей, грунтуючись на їх генетики. В довгостроковій перспективі — можливість розробити препарат для конкретної людини для максимально ефективного лікування та мінімізації побічних ефектів.

У CQC і JSR Corp було дві стратегії, які дозволили вченим здійснити цей прорив. По-перше, вони використовували власний компілятор CQC для найбільш ефективного перетворення комп’ютерної програми в інструкції для маніпулювання кубитом. Така ефективність особливо важлива на сучасних малокубитных машиних, в яких кожен кубіт важливий і необхідний, а швидкість виконання має вирішальне значення.

По-друге, вони використовували квантове машинне навчання, спеціальне підполі машинного навчання, яке використовує векторні амплітуда, а не просто ймовірності. Використовуваний метод квантового машинного навчання був спеціально розроблений для малокубитных квантових комп’ютерів, з частковим розвантаженням за допомогою традиційних процесорів.

У найближчі кілька років очікується значне поліпшення квантового як апаратного, так і програмного забезпечення. По мірі того, як розрахунки стають все більш точними, все більше галузей можуть скористатися перевагами програм квантових комп’ютерів, включаючи і квантову хімію. Gartner прогнозує, що вже через чотири роки у 20% корпорацій бюджет на квантові обчислення. Через десять років вони стануть невід’ємним компонентом технологій.

Вірите?