Российские исследователи усовершенствовали квантовые алгоритмы, чтобы с их помощью в десятки раз быстрее изучать молекулы. Это позволит создавать новые материалы для фармацевтики, химической промышленности, материаловедения, энергетики и других отраслей, рассказали «Известиям» разработчики. В перспективе такие вычисления станут рабочим инструментом для решения реальных задач в науке и промышленности: поиск перспективных лекарственных молекул, проектирование новых катализаторов для ускорения химических реакций, разработка эффективных материалов для аккумуляторов и топливных ячеек и так далее.
Квантовые алгоритмы для новых материалов
Исследователи НИТУ МИСИС и Казанского (Приволжского) федерального университета улучшили квантовые алгоритмы, чтобы в десятки раз быстрее изучать молекулы для фармацевтики, химической промышленности и других отраслей. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки. Метод уже адаптирован к возможностям современных устройств и приближает квантовые вычисления к решению реальных промышленных задач. Оптимизация вариационного алгоритма для поиска собственных значений позволила значительно сократить количество квантовых операций для моделирования молекул.
По словам ученых, химия и материаловедение всё чаще сталкиваются с задачами, которые требуют точного расчета поведения электронов в молекулах. Такие вычисления помогают создавать новые материалы, однако обычные компьютеры не способны моделировать сложные молекулы с необходимой степенью точности — даже суперкомпьютеры не всегда справляются с объемом вычислений.
Справка «Известий»Одним из наиболее перспективных на сегодняшний день способов расчета для таких задач ученые называют вариационный квантовый алгоритм для поиска собственных значений. Он адаптирован к запуску на современных квантовых компьютерах, точной работе которых мешает любое нежелательное внешнее влияние. Он позволяет поэтапно находить наиболее стабильное состояние молекулы с помощью совместной работы квантового и классического компьютера. Хотя первые имеют ряд преимуществ, для практических применений в химии главным барьером всегда были слишком сложные схемы и огромное число двухкубитных операций, которые чаще всего выдают ошибки.
Исследователи предложили способы оптимизации вариационного квантового алгоритма, которые позволяют значительно сократить ресурсы, необходимые для моделирования реальных органических молекул, сохранив при этом высокую точность.
— Исследование позволило не только сократить сложность квантовых расчетов, но и сделало возможным моделирование органических молекул в условиях, которые соответствуют потенциалу современных квантовых компьютеров. В перспективе такие вычисления станут рабочим инструментом для решения реальных задач в науке и промышленности: поиск перспективных лекарственных молекул, проектирование новых катализаторов для ускорения химических реакций, разработка эффективных материалов для аккумуляторов и топливных ячеек и так далее, — рассказал «Известиям» директор Института физики и квантовой инженерии PhD Алексей Федоров.
Суть работы заключается в том, что ученые разработали новую стратегию: для уменьшения количества измерений они исключили из расчетов электроны, не влияющие на химические свойства, сократили число кубитов, сгруппировали операторов и упростили квантовые схемы. Сначала эти изменения протестировали на простых молекулах, а затем применили к более сложным — метиламину и муравьиной кислоте, которые играют значимую роль в биологии, а также в фармацевтической, текстильной и пищевой промышленности. В итоге число двухкубитных операций, ранее доходящее до 600 тыс., удалось сократить примерно до 12 тыс., при этом точность расчетов осталась на необходимом уровне.
Применение нового квантового алгоритма
Сейчас важно не только развивать квантовые компьютеры, но и находить алгоритмы, которые раскроют их потенциал наилучшим образом. Никто из современных исследователей не ожидает, что произойдет мгновенный переход к квантовым вычислителям, способным решать сверхсложные задачи, рассказал «Известиям» заместитель директора «Национального центра квантового интернета» ИТМО Владимир Егоров. Развитие идет поэтапно: сначала берутся более простые задачи, которые недоступны электронным компьютерам или решаются на них медленнее, затем постепенно наращивается сложность.
— Представленное исследование — отличный пример такого подхода. Особенно ценно, что работа ориентирована на фармацевтику — она чаще всего называется среди областей, которые получат наиболее быструю, значимую и весомую выгоду от квантовых вычислений. Авторы выбрали верное направление, и их успехи важны для всей отрасли, — отметил эксперт.
Ученые добились близкого к ожидаемым значения при приближениях, сами приближения тоже звучат разумно, так что метод перспективен, прокомментировал работу научный сотрудник Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Игорь Мезенцев.
— В частности, тем, что при помощи физически обоснованных приближений получается значительно (на один-два порядка) снизить количество операций, которые несут в себе большую вероятность ошибки, без потери точности, — сказал он.
Результаты исследования интересны в том числе и для инфохимии: благодаря оптимизации квантовых алгоритмов моделирование молекул стало эффективнее, — подчеркнула директор научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Екатерина Скорб. Разработка в перспективе интересна для использования квантовых симуляций в задачах молекулярного дизайна, особенно с органическими соединениями, важными для фармацевтики и материаловедения, отметила она.
Подробности исследования опубликованы в научном журнале Quantum Reports. Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСиС «Квантовый интернет» по программе «Приоритет-2030».