Австралийские исследователи используют квантовый компьютер для моделирования поведения реальных молекул

18.05.2025

Когда молекула поглощает свет, она претерпевает вихрь квантово-механических преобразований. Электроны перемещаются между энергетическими уровнями, атомы вибрируют, а химические связи смещаются — и всё это за миллионные доли миллиардной доли секунды.

Эти процессы лежат в основе всего: от фотосинтеза в растениях и повреждения ДНК под воздействием солнечного света до работы солнечных батарей и лечения рака с помощью света.

Однако, несмотря на их важность, химические процессы, управляемые светом, сложно точно смоделировать. Традиционные компьютеры испытывают трудности, поскольку для моделирования такого квантового поведения требуются огромные вычислительные мощности.

Квантовые компьютеры, напротив, сами по себе являются квантовыми системами, поэтому квантовое поведение является естественным. Это делает квантовые компьютеры естественными кандидатами для моделирования химических процессов.

До сих пор квантовые устройства могли вычислять только неизменные величины, такие как энергия молекул. Исследование, опубликованное в Журнале Американского химического общества, показывает, что можно моделировать, как эти молекулы изменяются с течением времени. Ученые экспериментально смоделировали, как конкретные реальные молекулы ведут себя после поглощения света.

Имитация реальности с помощью одного иона

Исследователи из Сиднейского университета использовали так называемый квантовый компьютер с захваченными ионами. Он работает за счёт манипулирования отдельными атомами в вакуумной камере, удерживаемой на месте с помощью электромагнитных полей.

Обычно квантовые компьютеры хранят информацию с помощью квантовых битов, или кубитов. Однако для моделирования поведения молекул ученые также использовали колебания атомов в компьютере, называемые «бозонными модами».

Этот метод называется смешанным квантово-бозонным моделированием. Он значительно сокращает размер квантового компьютера, необходимого для моделирования молекулы.

Было смоделировано поведение трёх молекул, поглощающих свет: аллена, бутатриена и пиразола. Каждая из этих молекул после поглощения света вступает в сложные электронные и колебательные взаимодействия, что делает их идеальными объектами для тестирования.

Симуляция, в которой использовался лазер и один атом в квантовом компьютере, замедлила эти процессы в 100 миллиардов раз. В реальном мире взаимодействия занимают фемтосекунды, но симуляция воспроизводила их в течение миллисекунд — достаточно медленно, чтобы можно было увидеть, что произошло.

В миллион раз эффективнее

Что делает этот эксперимент особенно значимым, так это размер используемого квантового компьютера.

Для выполнения того же моделирования на традиционном квантовом компьютере (без использования бозонных мод) потребовалось бы 11 кубитов и примерно 300000 «запутывающих» операций без ошибок. Это далеко за пределами возможностей современных технологий.

В отличие от этого, подход ученых Сиднейского университета позволяет решить задачу, воздействуя на один захваченный ион одним лазерным импульсом. По оценкам исследователей, их метод как минимум в миллион раз эффективнее стандартных квантовых подходов.

Они также смоделировали динамику «открытой системы», в которой молекула взаимодействует с окружающей средой. Как правило, это гораздо более сложная задача для классических компьютеров.

Добавив контролируемый шум в окружающую ионы среду, сиднейские ученые воспроизвели процесс потери энергии реальными молекулами. Это показало, что квантовое моделирование может воспроизводить и сложные условия окружающей среды.

Что же дальше?

Эта работа — важный шаг вперёд для квантовой химии. Несмотря на то, что современные квантовые компьютеры всё ещё ограничены в масштабах, методы авторов исследования показывают, что небольшие, хорошо спланированные эксперименты уже могут решать задачи, представляющие реальный научный интерес.

Моделирование реального поведения атомов и молекул является ключевой целью квантовой химии. Это упростит понимание свойств различных материалов и может ускорить прорывные открытия в медицине, материаловедении и энергетике.

Ученые Сиднейского университета считают, что при незначительном увеличении масштаба — возможно, до 20 или 30 ионов — квантовое моделирование сможет работать с химическими системами, слишком сложными для любого классического суперкомпьютера. Это откроет путь к быстрому прогрессу в разработке лекарств, чистой энергии и фундаментальному пониманию химических процессов, лежащих в основе самой жизни.

Источник: Phys.org