Новый подход ученых Google, гибридный метод квантового моделирования, объединяющий преимущества двух технологий, может привести к тому, что квантовые компьютеры превзойдут суперкомпьютеры в течение ближайших пяти лет. Это открывает широкие возможности для технологического и научного прогресса, включая разработку лекарств и более эффективных батарей. Что такое квантовое моделирование и почему оно так многообещающе?
Что такое квантовое моделирование?
Квантовое моделирование — это применение компьютеров для имитации работы сложных квантовых систем, например, молекул, атомов или материалов.
Модельрование подобных систем в классическом мире затруднительно из-за сложности взаимодействий между частицами на уровне атомов. Законы квантовой физики гласят, что эти частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно, что усложняет расчеты для предсказания их поведения при большом количестве элементов.
Классические компьютеры, работающие по принципам двоичной логики, ограничены в моделировании квантовых явлений. Квантовые компьютеры решают эту проблему.
Вместо бит, используемых обычными компьютерами, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут находиться в суперпозиции состояний одновременно, а не только быть 0 или 1. Это позволяет им обрабатывать значительно больше информации одновременно. Тем не менее моделирование сложных квантовых систем на молекулярном или атомном уровне по-прежнему представляет собой сложную задачу из-за большого объема необходимых вычислений.
Объединение цифровой и аналоговой модел
Представленный компанией Google метод квантового моделирования использует комбинацию двух типов: цифрового и аналогового. Цифровое моделирование заключается в управлении кубитами для точного воспроизведения состояний квантовой системы. Оно даёт большую гибкость, но медленнее при моделировании больших систем.
Аналоговое моделирование значительно быстрее, так как предполагает одновременное управление всеми кубитами системы для имитации эволюции квантового состояния моделируемой системы. Оно более подвержено ошибкам и шуму, что может исказить результаты. Гибридный подход Google объединяет преимущества обоих подходов: начальное цифровое моделирование для подготовки начальных квантовых состояний кубитов, затем переключение на аналоговое моделирование, а в завершение обращение к цифровому моделированию для уточнения результатов и устранения ошибок.
Этот метод обладает рядом преимуществ.
На шаг ближе к квантовому превосходству
Концепция квантового превосходства предполагает момент, когда квантовые компьютеры станут мощнее классических по вычислительной способности. Компания Google уже показала, что её квантовые чипы Sycamore и Willow способны выполнять вычисления, недоступные для современных суперкомпьютеров. Но эта демонстрация была в основном теоретической и направлена на решение конкретных задач бенчмаркинга, не имея прикладного значения.
Благодаря гибридному квантовому моделированию достигнуты успехи, позволяющие решать задачи большей сложности, приближенные к реальным ситуациям.
Это открывает путь к практическому квантовому превосходству в химии, материаловедении и фармакологии, где моделирование молекул и атомных взаимодействий имеет большое значение.
Гибридное моделирование позволяет исследовать поведение магнитов при экстремально низких температурах. Благодаря нему исследователи проверили теории, обнаружив неожиданные явления и поставив под сомнение существующие гипотезы, например, механизм Киббла-Зурека, описывающий расположение дефектов в материале. Метод воспроизводит необычное поведение и дает новые результаты, которые могут быть полезны при изучении квантовых материалов и технологий хранения энергии.
Революционные применения
Этот прорыв имеет множество потенциальных применений и может изменить ключевые отрасли. Квантовое моделирование может стать важным инструментом в открытии лекарств, позволяя моделировать молекулярные взаимодействия с высокой точностью. Это ускорит создание новых лекарств, особенно для лечения сложных заболеваний, таких как рак или болезнь Альцгеймера.
Моделирование материалов и химических реакций с большей реалистичностью будет полезно для исследований аккумуляторов. Квантовые компьютеры способны произвести революцию в разработке новых, более эффективных материалов как для энергетики, так и для промышленности. Благодаря работе со сложными системами, не поддающимися моделированию обычными компьютерами, квантовое моделирование может привести к значительным инновациям во многих областях.