Недавний ажиотаж вокруг квантовых компьютеров часто подчеркивал их потенциал для революции в квантовой химии – ускорения открытия лекарств, материаловедения и многого другого. Однако новый анализ предполагает, что этот путь может быть гораздо сложнее, чем считалось ранее. Хотя квантовые вычисления добились быстрых успехов, вопрос о том, какие приложения действительно оправдают огромные инвестиции, остается открытым.
Обещание и реальность
Основная идея была логичной: квантовые компьютеры превосходно справляются с одновременной обработкой множества квантовых частиц (например, электронов в молекулах), что делает их идеальными для сложных расчетов энергии молекул. Это задача, с которой классическим компьютерам трудно справиться, поскольку вычислительная потребность растет экспоненциально с увеличением размера молекулы. Однако новые исследования показывают, что два ведущих квантовых алгоритма могут иметь ограниченное практическое применение.
Шум и отказоустойчивость: замкнутый круг
Исследователи под руководством Ксавье Вайнтала из CEA Grenoble изучили как квантовые компьютеры промежуточного масштаба с шумом (NISQ), так и гипотетические отказоустойчивые машины. Для устройств NISQ алгоритм Variational Quantum Eigensolver (VQE) может вычислять энергетические уровни молекул, но только если квантовый «шум» (ошибки) будет подавлен до непрактичного уровня. По сути, чтобы VQE стал конкурентоспособным с классическими химическими алгоритмами, вам потребуется почти безошибочный квантовый компьютер – которого пока не существует.
Альтернатива, Quantum Phase Estimation (QPE), перспективна для отказоустойчивых машин, но страдает от того, что исследователи называют «катастрофой ортогональности». Это означает, что по мере увеличения размера молекул вероятность точного вычисления их самых низких энергетических уровней резко падает экспоненциально. Даже с идеальными квантовыми компьютерами QPE будет эффективен только в ограниченном диапазоне случаев.
Последствия и альтернативы
По словам Тибо Луве из Quobly, осуществимость QPE следует рассматривать как показатель зрелости квантовых технологий, а не как основной инструмент для химии. Джордж Бут из Королевского колледжа Лондона, который не участвовал в исследовании, согласен: «Легко переоценить перспективы квантовых компьютеров… Это исследование ставит под сомнение, является ли квантовая химия действительно быстрой победой».
Несмотря на эту неудачу, квантовые компьютеры все еще имеют потенциал в химии. Одной из перспективных областей является моделирование того, как химические системы реагируют на возмущения (например, лазерный свет), что может оказаться более доступным, чем чистые энергетические расчеты.
Исследование подчеркивает, что путь к квантовому превосходству в химии значительно сложнее, чем ожидалось изначально, что вынуждает пересмотреть инвестиционные приоритеты в этой области.
