Ведущему использованию квантовых компьютеров они могут вообще не понадобиться

По мере того, как квантовые компьютеры продолжают развиваться, выявление проблем, которые они могут решить быстрее, чем лучшие в мире традиционные компьютеры, становится все более важным – но оказывается, что ключевая задача, которую сторонники квантовой технологии считают своей будущей целью, может вообще не нуждаться в квантовом компьютере.

Рассматриваемая задача связана с молекулой под названием FeMoco, которая играет жизненно важную роль в обеспечении возможности жизни на Земле. Это потому, что это часть процесса фиксации азота, при котором микробы превращают атмосферный азот в аммиак, что делает его биологически доступным для большинства других живых организмов. Как именно работает FeMoco в этом процессе, сложно и до конца не понятно, но если бы мы смогли взломать его и воспроизвести в промышленном масштабе, это могло бы резко сократить количество энергии, затрачиваемой на производство удобрений, что потенциально привело бы к повышению урожайности сельскохозяйственных культур.

Одним из ключевых аспектов понимания FeMoco является определение его самой низкой энергии, или «основного состояния», что включает в себя учет поведения его многочисленных электронов. Но электроны — это квантовые частицы, которые могут вести себя волнообразно и занимать множество различных областей, называемых орбиталями. Именно такой уровень сложности (множество электронов на многих орбиталях) является причиной того, что вычислить многие свойства FeMoco до сих пор было невозможно с помощью обычных компьютеров.

Исследователи добились определенных успехов в использовании методов аппроксимации, но точность их оценок энергии оставалась ограниченной. С другой стороны, математические исследования строго доказали, что квантовые компьютеры, которые кодируют эту сложность принципиально другим способом, могут решить проблему без приближений – хорошо известный пример так называемого квантового преимущества.

Но теперь, Гранат Кин-Лик Чан из Калифорнийского технологического института и его коллеги нашли традиционный метод вычислений, который, по-видимому, способен достичь той же точности, что и квантовый. Ключевым показателем была идея «химической точности» или минимальной точности, необходимой для реалистичных прогнозов химических процессов. Основываясь на своих вычислениях, Чен и его коллеги утверждают, что обычные суперкомпьютеры также могут рассчитать энергию основного состояния FeMoco с такой же точностью.

FeMoco имеет множество квантовых состояний, каждое из которых имеет свою энергию, и они расположены в виде лестницы с основным состоянием в самом низу. Чтобы сделать достижение этой нижней ступени более доступным для классических компьютерных алгоритмов, исследователи сосредоточились на том, что мы знаем о состояниях, расположенных на соседних ступенях, и на том, что их свойства подразумевают о том, что может существовать на ступень или две ниже. Это включало, например, понимание симметрии квантовых состояний электронов.

В конечном итоге это упрощение позволило исследователям использовать классические алгоритмы для расчета верхних границ энергии основного состояния FeMoco, а затем математически экстраполировать их до значения энергии с неопределенностью, соответствующей химической точности. Другими словами, их окончательный ответ о том, какой может быть самая низкая энергия молекулы, должен быть достаточно точным, чтобы его можно было использовать в будущих исследованиях.

Исследователи также подсчитали, что суперкомпьютерный метод может быть даже быстрее квантового, выполняя вычисления менее чем за минуту, что на квантовом устройстве заняло бы 8 часов – хотя эта оценка предполагает идеальную производительность суперкомпьютера.

Значит ли это, что мы скоро будем понимать FeMoco достаточно хорошо, чтобы стимулировать сельское хозяйство? Не совсем — до сих пор остается много вопросов без ответа, например, о том, какие части молекулы больше всего взаимодействуют с азотом или какие молекулы могут образовываться в качестве промежуточных этапов в процессе фиксации азота.

«Эта работа на самом деле мало что говорит нам о системе FeMoco с точки зрения ее функций, но как модель, демонстрирующая квантовые преимущества, она поднимает планку еще выше для квантовых подходов», — говорит Дэвид Райхман в Колумбийском университете в Нью-Йорке.

Доминик Берри из Университета Маккуори в Сиднее, Австралия, отмечает, что, хотя работа команды показывает, что классические компьютеры могут решить проблему FeMoco, они все еще способны только к аппроксимации, в то время как квантовые методы гарантируют, что проблема может быть решена в полном объеме.

«Это бросает вызов аргументам в пользу использования квантовых компьютеров для решения подобных задач, но ожидается, что для более сложных систем время вычислений для классических методов будет увеличиваться намного быстрее, чем для квантовых алгоритмов», — говорит он.

Другая проблема заключается в том, что квантовые компьютеры все еще совершенствуются. Существующие квантовые компьютеры слишком малы и подвержены ошибкам, чтобы решать такие проблемы, как энергия основного состояния FeMoco, но вскоре ожидается появление нового поколения отказоустойчивых квантовых компьютеров, способных исправлять свои собственные ошибки. С практической точки зрения они по-прежнему могут быть лучшим способом понять FeMoco и родственные ему молекулы, говорит Берри. «Квантовые вычисления должны позволить решать эти системы в гораздо более широком смысле, делая их рутинными вычислениями, когда доступны отказоустойчивые квантовые компьютеры».