Но когда дело доходит до конкретных вопросов, что только квантовые компьютеры могут ответить, эксперты остались относительно неопределенными. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Microsoft Research теперь представляют определенное применение впервые в научном журнале PNAS: оценка сложной химической реакции. На основе этого примера ученые показывают, что квантовые компьютеры могут действительно поставить с научной точки зрения соответствующие результаты.
Команда исследователей во главе с преподавателями ETH Маркусом Рейэром и Мэттиасом Тройером использовала моделирования, чтобы продемонстрировать, как сложная химическая реакция могла быть вычислена с помощью квантового компьютера. Чтобы достигнуть этого, квантовый компьютер должен иметь «умеренный размер», говорит Мэттиас Тройер, который является профессором для Вычислительной Физики в Швейцарской высшей технической школе Цюриха и в настоящее время работает на Microsoft.
Механизм этой реакции было бы почти невозможно оценить с одним только классическим суперкомпьютером – особенно, если результаты состоят в том, чтобы быть достаточно точными.Один из самых сложных ферментовИсследователи выбрали особенно сложную биохимическую реакцию в качестве примера для их исследования: благодаря специальному ферменту, известному как nitrogenase, определенные микроорганизмы в состоянии разделить атмосферные молекулы азота, чтобы создать химические соединения с единственными атомами азота. Это все еще неизвестно, как точно nitrogenase реакция работает. «Это – одна из самых больших нерешенных тайн в химии», говорит Маркус Рейэр, профессор для Теоретической Химии в Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
Компьютеры, которые доступны сегодня, в состоянии вычислить поведение простых молекул вполне точно. Однако это почти невозможно для nitrogenase фермента и его активного центра, который просто слишком сложен, объясняет Рейэр.В этом контексте сложность – отражение того, сколько электронов взаимодействует друг с другом в молекуле по относительно большим расстояниям. Чем больше электронов исследователь должно принять во внимание, тем более сложный вычисления. «Существующие методы и классические суперкомпьютеры могут использоваться, чтобы оценить молекулы приблизительно с 50 сильно взаимодействующими электронами самое большее», говорит Рейэр.
Однако есть значительно большее количество таких электронов в активном центре nitrogenase фермента. Поскольку с классическими компьютерами усилие, требуемое оценить молекулу, удваивается с каждым дополнительным электроном, нереалистичная сумма вычислительной мощности необходима.
Другая архитектура ЭВМКак продемонстрировано исследователями ETH, гипотетические квантовые компьютеры со всего 100 – 200 квантовыми битами (кубиты) потенциально будут в состоянии вычислить сложные подпроблемы в течение нескольких дней. Результаты этих вычислений могли тогда использоваться, чтобы определить механизм реакции nitrogenase шаг за шагом.Тот квант компьютеры способны к решению таких сложных задач вообще, является частично результатом того, что они структурированы по-другому к классическим компьютерам.
Вместо того, чтобы требовать, чтобы вдвое больше битов оценило каждый дополнительный электрон, квантовым компьютерам просто нужен еще один кубит.Однако еще неизвестно, когда такие «умеренно большие» квантовые компьютеры будут доступны. В настоящее время существующие экспериментальные квантовые компьютеры используют на заказе 20 элементарных кубитов соответственно.
Потребуются, по крайней мере, еще пять лет, или более вероятные десять, прежде чем у нас будут квантовые компьютеры с процессорами больше чем 100 высококачественных кубитов, оценивают Reiher.Массовое производство и организация сетиИсследователи подчеркивают то, что квантовые компьютеры не могут обращаться со всеми задачами, таким образом, они будут служить дополнением к классическим компьютерам, вместо того, чтобы заменить их. «Будущее будет сформировано взаимодействием между классическими компьютерами и квантовыми компьютерами», говорит Тройер.Относительно nitrogenase реакции квантовые компьютеры будут в состоянии вычислить, как электроны распределены в определенной молекулярной структуре.
Однако классические компьютеры должны будут все еще сказать квантовые компьютеры, какие структуры особенно интересны и должны поэтому быть вычислены. «Квантовых компьютеров нужно думать больше как копроцессор, способный к приему в конкретные задачи от классических компьютеров, таким образом позволяя им стать более эффективными», говорит Рейэр.Объяснение механизма nitrogenase реакции также потребует больше, чем просто информация об электронном распределении в единственной молекулярной структуре; действительно, это распределение должно быть определено в тысячах структур.
Каждое вычисление занимает несколько дней. «Для квантовых компьютеров, чтобы быть полезными в решении этих видов проблем, они должны будут сначала быть массового производства, таким образом позволяя вычислениям произойти на многократных компьютерах в то же время», говорит Тройер.