Нещодавній ажіотаж навколо квантових комп’ютерів часто наголошував на їхньому потенціалі для революції в квантовій хімії – прискорення відкриття ліків, матеріалознавства та багато іншого. Однак новий аналіз передбачає, що цей шлях може бути набагато складнішим, ніж вважалося раніше. Хоча квантові обчислення досягли швидких успіхів, питання про те, які додатки дійсно виправдають величезні інвестиції, залишається відкритим.
Обіцянка і реальність
Основна ідея була логічною: квантові комп’ютери чудово справляються з одночасною обробкою безлічі квантових частинок (наприклад, електронів у молекулах), що робить їх ідеальними для складних розрахунків енергії молекул. Це завдання, з яким класичним комп’ютерам важко впоратися, оскільки обчислювальна потреба зростає експонентно зі збільшенням розміру молекули. Однак нові дослідження показують, що два провідні квантові алгоритми можуть мати обмежене практичне застосування.
Шум і відмовостійкість: замкнене коло
Дослідники під керівництвом Ксав’є Вайнтала з CEA Grenoble вивчили як квантові комп’ютери проміжного масштабу з шумом (NISQ), так і гіпотетичні стійкі до відмови машини. Для пристроїв NISQ алгоритм Variational Quantum Eigensolver (VQE) може обчислювати енергетичні рівні молекул, але тільки якщо квантовий шум (помилки) буде пригнічений до непрактичного рівня. По суті, щоб VQE став конкурентоспроможним із класичними хімічними алгоритмами, вам знадобиться майже безпомилковий квантовий комп’ютер – якого поки що не існує.
Альтернатива, Quantum Phase Estimation (QPE), перспективна для стійких до відмови машин, але страждає від того, що дослідники називають “катастрофою ортогональності”. Це означає, що зі збільшенням розміру молекул ймовірність точного обчислення їх найнижчих енергетичних рівнів різко падає експоненційно. Навіть із ідеальними квантовими комп’ютерами QPE буде ефективним лише в обмеженому діапазоні випадків.
Наслідки та альтернативи
За словами Тібо Луве з Quobly, здійсненність QPE слід розглядати як показник зрілості квантових технологій, а не як основний інструмент хімії. Джордж Бут із Королівського коледжу Лондона, який не брав участі у дослідженні, згоден: “Легко переоцінити перспективи квантових комп’ютерів… Це дослідження ставить під сумнів, чи квантова хімія є справді швидкою перемогою”.
Незважаючи на цю невдачу, квантові комп’ютери все ще мають потенціал у хімії. Однією з перспективних областей є моделювання того, як хімічні системи реагують на обурення (наприклад, лазерне світло), що може бути доступнішим, ніж чисті енергетичні розрахунки.
Дослідження підкреслює, що шлях до квантової переваги в хімії значно складніший, ніж передбачалося, що змушує переглянути інвестиційні пріоритети в цій галузі.
