Компанія Google провела найбільше хімічне дослідження на квантовому комп'ютері

Квантовий комп'ютер Sycamore від компанії Google знову здивував світ. На цей раз вчені провели з його допомогою найскладніше хімічне моделювання, яке коли-небудь виконувалося на квантових процесорах.

Дослідники сподіваються, що вже скоро подібні пристрої будуть розраховувати хімічні реакції краще класичних машин. І тоді нас чекає революція у виробництві матеріалів, ліків, акумуляторів та інших корисних речей.

Досягнення описано в науковій статті, опублікованій в журналі Science.

Блакитна мрія хіміків - навчитися на кінчику пера конструювати речовини із заданими властивостями: міцні матеріали, ефективні ліки і так далі. У науки є вражаючі успіхи на цьому фронті. Наприклад, моделювання на суперкомп'ютері дозволяє відібрати потенційно дієві противірусні препарати. Однак до речовин "на замовлення" все ще далеко.

Причина в складності розрахунків. Хімічні реакції, в процесі яких одні молекули перетворюються в інші, протікають за законами квантової механіки. Ці закони давно і добре відомі. Однак знання закону дозволяє лише записати потрібне рівняння. Але це тільки половина справи: його адже потрібно ще й вирішити. І часто для цього потрібна така громада обчислювальних операцій, перед якою пасують навіть суперкомп'ютери.

Інша річ - квантові комп'ютери. Вони самі працюють за квантовими законами, тому моделювати квантові процеси (в тому числі і хімічні реакції) з їх допомогою набагато простіше, ніж з використанням класичних машин. До слова, саме це в минулому році дозволило Sycamore вперше в історії квантових обчислень вирішити задачу, непосильну для наймогутнішого з класичних комп'ютерів.

Якщо так, чому ж моделювання хімічних реакцій на квантових комп'ютерах досі не стало звичайною справою? Одна з головних причин в тому, що квантові процесори дуже вразливі до зовнішніх перешкод. Навіть найдрібніші коливання температури та інших параметрів впливають на роботу системи, викликаючи обчислювальні помилки.

Квантовий процесор Sycamore гранично захищений від впливів зовнішнього середовища, але вченим все ж доводиться вдаватися до хитромудрих  стратегій корекції помилок.

Автори нового дослідження використовували витончену методику корекції помилок. Вони розглядали квантовий процесор як штучну нейронну мережу. Такі системи відомі своєю здатністю відокремлювати корисний сигнал від шуму, що дозволяє їм, наприклад, розпізнавати потрібні об'єкти на фотографіях.

Фахівці застосували ще кілька хитромудрих методів, щоб захистити систему від збоїв. У підсумку, щоб забезпечити правильну роботу Sycamore, їм довелося автоматично контролювати більше двох тисяч параметрів (!). Ці хитрощі і допомогли дослідникам провести найскладніше в історії квантових комп'ютерів хімічне моделювання.

Вчені вирішували два завдання. По-перше, вони розраховували енергію основного стану ланцюжків з атомів водню, що містять 6, 8, 10 і 12 атомів. По-друге, дослідники моделювали поведінку молекули Діаз (N2H2). Ця речовина існує в двох різновидах, які розрізняються просторовим розташуванням атомів в молекулі. Фахівці відтворювали на квантовому комп'ютері перетворення одного різновиду в інший.

Розрахунки проводилися на 12 кубітах (квантових бітів) з 54, наявних у Sycamore. Це вдвічі перевершує попередній рекорд по числу кубітів, використаних для хімічного моделювання. Рекорд за кількістю операцій на квантових логічних елементах був побитий з ще більш вражаючим відривом: попереднє досягнення вдалося перевершити десятикратно.

Автори підкреслюють: моделювання було досить точним, щоб спрогнозувати результати реальних хімічних реакцій, які можна відтворити в лабораторії.

При цьому дослідники визнають, що завдання, вирішене Sycamore в цьому дослідженні, могло бути вирішено і класичним (НЕ квантовим) комп'ютером. Але використані методи допускають моделювання і більш складних процесів, недоступних для відтворення на традиційному суперкомп'ютері. А це означає, що цю роботу можна вважати новою віхою наступаючої ери квантових обчислень.