Исследователи НИТУ МИСИС и КФУ улучшили квантовые алгоритмы, чтобы в десятки раз быстрее изучать молекулы для фармацевтики, химической промышленности, материаловедения, энергетики и др. Метод уже адаптирован к возможностям современных устройств и приближает квантовые вычисления к решению реальных промышленных задач. Оптимизация вариационного квантового алгоритма для поиска собственных значений позволила значительно сократить количество квантовых операций для моделирования молекул.
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 объёмом вычислений.
Одним из наиболее перспективных на сегодняшний день алгоритмов для таких задач является вариационный квантовый алгоритм для поиска собственных значений. Он адаптирован к запуску на современных квантовых компьютерах, точной работе которых мешает любое нежелательное внешнее влияние. Алгоритм позволяет поэтапно находить наиболее стабильное состояние молекулы с помощью совместной работы квантового и классического компьютера.
Хотя квантовые компьютеры 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 НИТУ МИСИС и Казанского федерального университета предложили способы оптимизации вариационного квантового алгоритма, которые позволяют значительно сократить ресурсы, необходимые для моделирования реальных органических молекул, сохранив при этом высокую точность.
Учёные разработали новую стратегию: для уменьшения количества измерений они исключили из расчётов электроны, не влияющие на химические свойства, сократили число кубитов, сгруппировали операторы 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 тысяч, удалось сократить до примерно 12 тысяч, при этом точность расчётов осталась на необходимом уровне.
«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 квантовые 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 т. д.», — сказал директор Института физики и квантовой инженерии, PhD Алексей Федоров.
Подробности исследования опубликованы в научном журнале Quantum Reports. Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе «Приоритет-2030» (грант № K1-2022-027).
