Сотрудники НИТУ МИСИС и КФУ разработали усовершенствованные квантовые алгоритмы, которые позволяют в десятки раз ускорить изучение молекул, что важно для фармацевтики, химической промышленности, материаловедения, энергетики и других областей. Разработанный метод уже совместим с современными вычислительными устройствами и делает квантовые вычисления ближе к решению практических промышленных задач. Оптимизация вариационного квантового алгоритма, используемого для определения собственных значений, позволила существенно уменьшить число необходимых квантовых операций при моделировании молекул.
Растущая потребность в точном моделировании поведения электронов в молекулах приводит к тому, что химия и материаловедение все чаще пересекаются. Эти расчеты важны для разработки новых материалов, однако даже суперкомпьютеры не всегда способны справиться с вычислительной нагрузкой, необходимой для точного моделирования сложных молекул, что делает обычные компьютеры непригодными для этой задачи.
В настоящее время одним из наиболее многообещающих алгоритмов для решения подобных задач является вариационный квантовый алгоритм, предназначенный для поиска собственных значений. Он разработан с учетом возможности запуска на существующих квантовых компьютерах, функционирование которых подвержено влиянию любых нежелательных внешних факторов. Алгоритм обеспечивает последовательное определение наиболее устойчивого состояния молекулы за счет взаимодействия квантового и классического компьютеров.
Несмотря на ряд преимуществ, для применения квантовых компьютеров в химии основным препятствием остается сложность схем и большое количество двухкубитных операций, которые часто приводят к ошибкам. Ученые из НИТУ МИСИС и Казанского федерального университета разработали методы оптимизации вариационного квантового алгоритма, позволяющие существенно уменьшить требуемые ресурсы для моделирования органических молекул, не жертвуя точностью.
Для снижения числа необходимых вычислений ученые предложили новый подход: из расчетов были исключены электроны, не оказывающие влияния на химические свойства, уменьшено количество кубитов, произведена группировка операторов и упрощены квантовые схемы. Прежде чем применять эти изменения к более сложным системам, они были проверены на простых молекулах. Затем стратегия была использована для моделирования метиламина и муравьиной кислоты, которые имеют большое значение в биологии, а также в фармацевтической, текстильной и пищевой отраслях. В результате число двухкубитных операций, ранее достигавшее 600 тысяч, было уменьшено до приблизительно 12 тысяч, при этом уровень точности вычислений был сохранен.
«Проведенное исследование не только упростило квантовые вычисления, но и открыло возможность моделирования органических молекул, соответствующих возможностям современных квантовых компьютеров. В будущем квантовые вычисления позволят решать практические задачи в сфере науки и промышленности, такие как поиск новых лекарственных препаратов, создание инновационных катализаторов для ускорения химических реакций, разработка улучшенных материалов для аккумуляторов и топливных элементов и другие.» , — сказал директор Института физики и квантовой инженерии, PhD Алексей Федоров .
Результаты исследования были представлены в научном журнале Quantum Reports. Данная работа была осуществлена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет», реализуемого по программе «Приоритет-2030» при поддержке гранта № K1-2022-027).