Квантовый компьютер справился с химическими вычислениями

Учёным удалось использовать квантовый компьютер для вычисления точной энергии молекулярного водорода.

🕛 14.01.2010, 11:09

Этот прорыв в методах молекулярных исследований обещает значительный потенциал не только для квантовой химии, но также для широкого круга других областей науки - от криптографии до материаловедения. По словам доцента химии и химической биологии в Гарвардском университете (Harvard University) Алана Аспару-Газика (Alán Aspuru-Guzik), до сих пор точные симуляции молекулярных систем оставались одной из важнейших проблем для теоретической химии, и впервые квантовый компьютер создан для совершения таких точных расчётов.

В работе также участвовал коллектив физиков во главе с Эндрю Уайтом (Andrew White) из австралийского Университета Квинсленда (University of Queensland), отвечавшей за функционирование компьютера. Группа Аспару-Газика координировала эксперимент и выполняла вычисления. Современные классические компьютеры применяются для моделирования простых молекулярных систем, но усложнение последних приводит к экспоненциальному росту необходимого для расчётов времени. Квантовые же вычисления привлекают исследователей возможностью решения некоторых видов слишком сложных для традиционной цифровой логики задач. Вместо битов с двумя состояниями в квантовых системах информация представлена кубитами, которые могут находиться в третьем, неопределённом состоянии одновременно ноля и единицы. В квантовых операциях одна последовательность кубитов представляет одновременно все возможные значения 1 и 0, поэтому количество вычислений значительно снижается. Для получения результатов измеряются конечные состояния кубитов.

"Поскольку классические компьютеры неэффективны, если вы моделируете что-нибудь большее чем четыре или пять атомов - например, химическую реакцию или комплексную молекулу, - это очень быстро становится неразрешимой проблемой, - поясняет Джеймс Уитфилд (James Whitfield). - В лучшем случае химики получают приблизительные результаты". Аспару-Газик с коллегами использовал закодированную в двух так называемых запутанных фотонах информацию. Использовался квантовый алгоритм, являющийся вариантом алгоритма Шора для взлома криптографических схем. "Вы передаёте алгоритму две вещи: единичный контрольный кубит и регистр из кубитов, закодированных некоторой относящейся к химическим системам цифровой информацией, - объясняет Уайт. - Контрольный кубит запутывает все остальные так, что выходное значение - 1 или 0 - даёт представление об энергии химической системы".

Каждый последующий запуск увеличивает точность. Вычисленные энергетические уровни были результатом 20 квантовых измерений, которые Уайт сравнивает с 20-разрядным числом в плане точности. Поскольку иногда ошибки могут приводить к замене 0 на 1 или наоборот, 20-шаговый процесс был повторён 30 раз. Энергия молекулярного водорода рассчитывалась как функция дистанции от смежных молекул. В итоге совпадение с теоретическими предсказаниями оказалось исключительно точным. По словам исследователей, система из 128 кубитов сможет превзойти классические компьютеры как инструмент для задач химии, а для работы криптографических алгоритмов нужны тысячи.