Японские физики создали квантовый алгоритм для быстрого определения формы молекул

Квантово-химические расчеты представляют собой одну из самых сложных задач для классических компьютеров.

Физики из Японии разработали алгоритм, позволяющий быстро определять оптимальную и самую стабильную трехмерную форму различных молекул при помощи уже существующих квантовых компьютеров. Об этом во вторник сообщила пресс-служба Городского университета Осаки.

«Наше открытие позволит нам сделать большой шаг в сторону проведения реальных квантово-химических расчетов на квантовых компьютерах. Расчеты энергии связей необходимы не только для раскрытия формы молекул, но и для определения многих других их свойств, важных для разработки новых материалов и лекарств», — заявил научный сотрудник Городского университета Осаки (Япония) Кэндзи Сугисаки, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Квантово-химические расчеты представляют собой одну из самых сложных задач для классических компьютеров. Это связано с тем, что существующие алгоритмы проведения подобных расчетов позволяют просчитывать поведение лишь самые простых веществ, так как сложность этих вычислений растет экспоненциальным образом с добавлением каждого нового электрона, участвующего в химических реакциях.

В последние годы математики и физики пытаются обойти эти проблемы при помощи двух разных подходов. В рамках одного из них подобные расчеты планируется проводить при помощи квантовых компьютеров, а в рамках второго — при помощи нейросетей. Несмотря на успехи и в том, и в другом направлении, пока и нейросети, и квантовые компьютеры могут просчитывать лишь относительно простые молекулы и реакции между ними.

Новые методы квантовой химии

Кэндзи Сугисаки и его коллеги значительно продвинулись вперед в разработке квантовых подходов по расчетам химических задач благодаря созданию нового алгоритма, который позволяет очень быстро вычислять энергию связей между атомами в сложно устроенных молекулах и определять их оптимальную конфигурацию. Это позволяет оценивать стабильность молекул и подбирать такую их трехмерную форму, в которой они сохраняют максимальную стабильность.

В прошлом решение этой проблемы было затруднено тем, что для получения подобных сведений ученым нужно было определить то, какой энергией обладают все электроны и ядра атомов в основном и возбужденном состоянии при всех возможных изменениях в относительном положении взаимодействующих частиц. Это значительно усложняет расчеты и не позволяет проводить их на уже существующих квантовых компьютерах на базе нескольких десятков кубитов, квантовых битов.

Японские физики адаптировали уже существующий квантовый алгоритм, применяемый при решении систем линейных уравнений и разработанный в 1995 году российским физиком Алексеем Китаевым, для вычисления того, как меняется энергия связей между атомами при изменении их относительного положения внутри молекулы. Это позволило ученым резко ускорить и упростить расчеты.

Используя этот подход, ученые просчитали свойства связей внутри молекул водорода, азота, а также гидридов лития и бериллия, что позволило им определить оптимальную трехмерную форму этих соединений. Результаты этих расчетов совпали с эталонами, что подтвердило высокую точность и эффективность нового подхода для определения структуры молекул при помощи методов квантовой химии.