Niedawny szum wokół komputerów kwantowych często podkreślał ich potencjał zrewolucjonizowania chemii kwantowej – przyspieszając odkrywanie leków, naukę o materiałach i nie tylko. Jednak nowa analiza sugeruje, że ścieżka może być znacznie bardziej złożona, niż wcześniej sądzono. Chociaż obliczenia kwantowe poczyniły szybkie postępy, pytanie, które aplikacje naprawdę uzasadnią tak ogromną inwestycję, pozostaje otwartą kwestią.
Obietnica i rzeczywistość
Podstawowy pomysł był logiczny: komputery kwantowe doskonale radzą sobie z przetwarzaniem wielu cząstek kwantowych (takich jak elektrony w cząsteczkach) jednocześnie, co czyni je idealnymi do złożonych obliczeń energii molekularnej. Jest to zadanie, z którym klasyczne komputery mają trudności, ponieważ zapotrzebowanie na obliczenia rośnie wykładniczo wraz z rozmiarem cząsteczki. Jednak nowe badania sugerują, że dwa wiodące algorytmy kwantowe mogą mieć ograniczone zastosowanie praktyczne.
Tolerancja na hałas i uszkodzenia: błędne koło
Naukowcy pod kierownictwem Xaviera Weinthala z CEA Grenoble badali zarówno hałaśliwe komputery kwantowe średniej skali (NISQ), jak i hipotetyczne maszyny odporne na awarie. W przypadku urządzeń NISQ algorytm Variational Quantum Eigensolver (VQE) może obliczyć poziomy energii cząsteczek, ale tylko wtedy, gdy kwantowy „szum” (błędy) zostanie stłumiony do niepraktycznego poziomu. Zasadniczo, aby VQE mogło konkurować z klasycznymi algorytmami chemii, potrzebny byłby prawie bezbłędny komputer kwantowy – który jeszcze nie istnieje.
Alternatywa, kwantowe oszacowanie fazy (QPE), jest obiecująca w przypadku maszyn odpornych na awarie, ale cierpi z powodu tego, co badacze nazywają „katastrofą ortogonalności”. Oznacza to, że w miarę zwiększania się rozmiarów cząsteczek prawdopodobieństwo dokładnego obliczenia ich najniższego poziomu energii spada wykładniczo. Nawet w przypadku idealnych komputerów kwantowych QPE będzie skuteczne tylko w ograniczonym zakresie przypadków.
Konsekwencje i alternatywy
Według Thibaulta Louveta z Quobly wykonalność QPE należy postrzegać raczej jako wskaźnik dojrzałości technologii kwantowych niż jako podstawowe narzędzie chemii. George Booth z King’s College w Londynie, który nie był zaangażowany w badanie, zgadza się z tym: „Łatwo przecenić możliwości, jakie dają komputery kwantowe… To badanie stawia pod znakiem zapytania, czy chemia kwantowa rzeczywiście szybko przynosi korzyści”.
Pomimo tego niepowodzenia komputery kwantowe nadal mają potencjał w chemii. Jednym z obiecujących obszarów jest modelowanie reakcji układów chemicznych na zakłócenia (takie jak światło lasera), które może być bardziej dostępne niż obliczenia czystej energii.
W badaniu podkreślono, że droga do supremacji kwantowej w chemii jest znacznie bardziej złożona, niż początkowo oczekiwano, co wymusza ponowne przemyślenie priorytetów inwestycyjnych w tej dziedzinie.
