Задачу, которая считалась по силам только квантовому компьютеру, решили на обычном
По мере развития квантовых компьютеров становится все важнее находить задачи, которые они решают быстрее лучших классических суперкомпьютеров. Одна из них — расчет механизма работы FeMo-кофактора. Теперь выяснилось, что для нее квантовые вычисления могут и вовсе не понадобиться.
FeMo-кофактор (FeMoco) — молекула, без которой жизнь на Земле была бы невозможна. Она участвует в процессе азотфиксации, когда микроорганизмы превращают атмосферный азот в аммиак, делая его биологически доступным. Точный механизм работы FeMoco в этой реакции сложен и до конца не изучен. Если бы получилось раскрыть его и воспроизвести в промышленных масштабах, это могло бы резко сократить энергозатраты на производство удобрений и потенциально увеличить урожайность.
Квантовая химия и жизнь
Один из ключевых аспектов понимания FeMoco — определение ее минимальной, или «основной», энергии, что требует учета поведения ее электронов. Это в чистом виде квантовая химия: надо понимать, где и какие положения частицы занимают в каждый момент времени. Такая сложность — множество электронов на множестве орбиталей — до сих пор делала расчет свойств FeMoco неподъемной задачей для классических компьютеров.
Некоторых успехов добивались, используя приближенные методы, но точность оценок энергии оставалась ограниченной. В то же время математические расчеты четко доказали, что квантовые компьютеры, которые кодируют эту сложность принципиально иным способом, могли бы решить задачу без приближений — классический пример так называемого квантового превосходства.
Химики и математики нашли классический вычислительный метод, который, похоже, способен достичь той же точности, что и квантовый. Ключевым ориентиром служила концепция «химической точности» — минимальной точности, необходимой для реалистичного моделирования химических процессов. Из опубликованных на arXiv расчетов следует, что классические суперкомпьютеры могут вычислить основную энергию FeMoco с такой точностью.
У FeMoco много квантовых состояний, каждое со своей энергией, расположенных как бы лесенкой, где основное состояние занимает нижнюю ступень. Чтобы сделать поиск этого минимального уровня проще для классических алгоритмов, исследователи сосредоточились на известных свойствах состояний на соседних ступенях и на том, что они могут сказать о состояниях на шаг или два ниже. Например, учли особенности симметрии квантовых состояний электронов.
В итоге это упрощение позволило исследователям использовать классические алгоритмы для вычисления верхних границ основной энергии FeMoco, а затем математически экстраполировать их к значению энергии с допустимой погрешностью. Другими словами, окончательный ответ о минимально возможной энергии молекулы достаточно точен для практического применения.
Авторы утверждают, что работа их алгоритма на суперкомпьютере может оказаться даже быстрее, чем на квантовом: расчеты, которые заняли бы у квантового устройства восемь часов, выполняются менее чем за минуту — правда, это теоретическая оценка, которая предполагает идеальную работу суперкомпьютера.
Прорыв?
Означает ли это скорый прорыв в сельском хозяйстве? Пока нет. Остается множество нерешенных вопросов: например, какие части молекулы сильнее всего взаимодействуют с азотом или какие молекулы образуются в качестве промежуточных продуктов процесса азотфиксации.
«Эта работа не сильно продвигает нас в понимании функционала FeMoco. Но как модель для демонстрации квантового превосходства она устанавливает для квантовых подходов еще более высокую планку», — заметил Дэвид Райхман из Колумбийского университета в Нью-Йорке.
Работа доказала что классические компьютеры могут справиться с проблемой FeMoco, но результаты все равно приблизительные, а квантовые компьютеры дают точные ответы, добавил Доминик Берри из Университета Маккуори в Австралии.
«Это, безусловно, ставит под вопрос аргументацию в пользу применения квантовых компьютеров для таких задач. Но с усложнением систем ожидается, что время расчета классическими методами будет расти гораздо быстрее, чем для квантовых алгоритмов», — сказал он.
Не стоит забывать, что квантовые компьютеры все еще далеки от совершенства, чтобы браться за задачи подобной сложности, и ожидается скорейшее появление нового поколения отказоустойчивых квантовых компьютеров, способных самостоятельно корректировать свои ошибки. На практике они могут оказаться лучшим способом для понимания FeMoco и родственных молекул, допустил Берри. «Квантовые вычисления должны позволить решать задачи для таких систем гораздо более универсально, превратив это в рутинный расчет, как только появятся отказоустойчивые квантовые компьютеры», — заключил он.
