Квантовые компьютеры оказались бесполезными там, где на них возлагали большие надежды
Расчеты в области квантовой химии, способные ускорить разработку лекарств или развитие сельского хозяйства, кажутся самым подходящим применением для квантовых компьютеров. Однако новый анализ показывает, что это вряд ли соответствует действительности.
Прогресс в создании квантовых компьютеров в последние годы значительно ускорился, но вопрос о том, какие применения лучше всего оправдают внушительные инвестиции в эту технологию, остается открытым. Одно из популярных направлений — решение задач квантовой химии, например, вычисление энергетических уровней молекул, важных для биомедицины или промышленности. Такие задачи требуют одновременного учета поведения множества квантовых частиц — электронов в молекуле, — поэтому кажутся идеальными для компьютеров из множества квантовых элементов.
Французские физики-теоретики оценили эффективность двух ведущих квантовых алгоритмов для расчета молекулярных энергий, результатами чего поделились в Physical Review B — и они неутешительные.
«Лично я считаю, что это, скорее всего, обреченная затея — не то что это доказано, но очень похоже на то», — говорит ведущий автор Ксавье Венталь из Гренобльского центра Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии.
Два алгоритма
Исследователи разделили свой математический анализ на две части: одна касается существующих квантовых компьютеров, которым присущи ошибки, а другая — будущих квантовых компьютеров, которые будут «отказоустойчивыми», то есть полностью защищенными от ошибок.
При использовании подверженных ошибкам («зашумленных») квантовых компьютеров энергетические уровни молекул можно вычислять с помощью вариационного квантового собственного решателя (VQE), но точность результатов зависит от уровня шума.
По результатам анализа, чтобы VQE мог конкурировать по точности с химическими алгоритмами, выполняемыми на обычных компьютерах, зашумленность квантовых компьютеров необходимо подавить настолько, чтобы они фактически стали бы отказоустойчивыми. Пока ни одного такого нет.
Несколько компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, намерены построить отказоустойчивые квантовые системы в течение пяти лет, и такие устройства смогут рассчитывать энергии молекул с помощью другого алгоритма — квантовой оценки фазы (QPE). Здесь проблема ошибок практически устранена, однако исследование выявляет другую трудность, известную под зловещим названием «ортогональная катастрофа».
Проще говоря, это означает, что с увеличением размера молекул вероятность того, что QPE сможет вычислить их минимальный энергетический уровень, падает экспоненциально. В результате, как отмечает соавтор работы Тибо Луве из квантовой компании Quobly, даже с отличными квантовыми компьютерами найдется лишь небольшое число случаев, когда их использование для запуска QPE было бы наиболее практичным и оптимальным выбором. По его мнению, саму способность запускать этот алгоритм следует рассматривать скорее как показатель зрелости квантовых компьютеров, а не как повседневный инструмент для работающих химиков.
Что делать?
«Легко поддаться ажиотажу вокруг перспектив квантовых компьютеров в этой области: многие думают, что их появление мгновенно сделает устаревшими любые классические подходы к квантовой химии. Это исследование ясно указывает на серьезные проблемы, которые останутся даже в „эру отказоустойчивости“, и ставит под сомнение, можно ли вообще считать квантовую химию „золотой жилой“ для квантовых компьютеров», — прокомментировал профессор Джордж Бут из Королевского колледжа Лондона.
Однако существуют и другие способы применения квантовых компьютеров в химии, добавил он. Например, они могли бы моделировать изменение химических систем после внешнего воздействия, такого как облучение лазерным светом.
