Квантовые компьютеры для современной химии (читать 1,5 минуты)
Всем привет! После небольших каникул, этот канал возобновляет свою работу. Сегодня мое внимание привлекла статья группы немецких химиков из Аахена, которые предлагают использовать квантовые компьютеры для определения механизма реакции. Ссылка на статью вот тут: http://www.pnas.org/content/114/29/7555
Механизм химической реакции это описание превращения реагентов в продукты, зачастую - довольно сложный многостадийный процесс, включающий в себя образование промежуточных веществ. Понимание механизмов тех или иных реакций очень важно как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, например, при создании катализаторов или ингибиторов - веществ, которые ускоряют или замедляют те или иные химические реакции. Ингибиторы часто используются в медицине, когда необходимо замедлить какой-либо биохимический процесс в организме.
В вышеупомянутой статье, ученые предлагают использовать квантовые компьютеры для предсказания энергетического состояния нитрогеназы - комплекса ферментов, предназначенных для фиксации азота у архей и бактерий. Такая система оказалось слишком сложной, для рассчетов на классическом компьютере.
Идея квантового компьютера была сформулирована еще в 80-х Ричардом Фейнманом. У такого компьютера единица информации измеряется в кубитах. В отличие от бита, который может принимать лишь два значения 0 или 1, кубит представляет собой квантовую систему с двумя состояниями, и может принимать любое значение, соответствующее суперпозиции двух состояний. Это означает, что кубит может хранить гораздо больше информации. чем классический бит, уменьшая ресурсы, необходимые для хранения молекулярной волновой функции. Количество бит, необходимое для хранения молекулярной волновой функции на классическом компьютере экспоненциально растет с числом спиновых орбиталей, тогда как число кубитов растет линейно. На примере нитрогеназы, авторы статьи показали одно из потенциальных применений квантового компьютера, что поможет разрешить множество проблем современной химии и биологии. В результате ученым удалось оценить вычислительные ресурсы, необходимые для такого исследования с использованием квантового компьютера. Более того, ученые предлагают алгоритм дальнейшего сокращения вычислительных ресурсов квантового компьютера, с использованием разработанных ими "топологических" кубитов. В результате, проблемы, на решение которых сейчас требуются годы, в будущем могут решаться в течение нескольких дней. Осталось только создать, наконец, этот квантовый компьютер 😀