Команда инженеров из Google AI Quantum сообщила о первой успешной квантовой симуляции химической реакции. Это удалось сделать при помощи 54-кубитного квантового процессора Sycamore. Статья об эксперименте опубликована в Science.

Квантовая химия считается одной из самых перспективных областей применения квантовых вычислений. Наибольших успехов в этой области добились специалисты из IBM и Google. Ранее при помощи процессоров, состоящих из нескольких кубитов, уже удавалось рассчитать структуру не очень сложных молекул (например, гидрида бериллия BeH₂).

Для моделирования реакции авторы работы взяли один из самых простых известных химических процессов — изомеризацию диазена, вещества с химической формулой N₂H₂. Такая реакция может выглядеть достаточно просто с точки зрения «классической» науки, но на квантовом уровне происходит целый комплекс труднопрогнозируемых вещей.

Sycamore отлично справился с задачей подобного моделирования, точно описав изменения положения атомов водорода в молекуле при образовании различных изомеров диазена. Для расчетов использовали лишь 12 из 54 кубитов процессора Sycamore — но это уже вдвое больше, чем при предыдущих попытках моделирования квантово-химических процессов.

Также при расчетах был использован гибридный алгоритм VQE (variational quantum eigensolver, «вариационный квантовый метод поиска собственных значений»). Его суть заключается в поиске минимума величины, которую можно рассчитать при помощи квантового компьютера — например, энергии молекул и отдельных атомов. Подобный алгоритм позволяет за считаные минуты проводить вычисления, на которые обычному суперкомпьютеру может потребоваться далеко не один год.

Применение такого алгоритма на квантовых кубитах открывает широкие возможности в самых разных областях науки и технологии. Так можно отбирать высокопрочные материалы или рассчитывать потенциальную эффективность фармпрепаратов.