Квантовые вычисления считаются перспективными для моделирования молекул с беспрецедентной точностью, что может ускорить разработку в таких областях, как лекарства, батареи и удобрения. Однако новое теоретическое исследование показывает, что достижение этой цели по-прежнему сопряжено со значительными трудностями, а соответствующие алгоритмы сталкиваются со множеством препятствий на практике.
Исследователи сосредоточились на ключевой проблеме квантовой химии — вычислении энергии основного состояния молекулы, то есть состояния с наименьшей энергией электронной конфигурации. Этот параметр имеет решающее значение для понимания химической стабильности и путей реакций. Команда проанализировала два основных современных квантовых алгоритма: вариационный квантовый решатель собственных значений (VQE) и оценку квантовой фазы (QPE).
Алгоритм VQE подходит для современных шумящих квантовых устройств промежуточного масштаба (NISQ) и использует совместную оптимизацию квантовых и классических компьютеров для приближения к энергии основного состояния. Однако исследование показало, что эффекты декогеренции значительно влияют на точность VQE. «Мы обнаружили, что декогеренция крайне вредна для точности VQE, и даже с использованием передовых методов смягчения ошибок для значимых химических вычислений все еще требуется производительность отказоустойчивых квантовых компьютеров, а не только шумящего оборудования». Исследование показывает, что по мере увеличения молекулярной системы время вычислений резко возрастает. Например, для димера хрома одна итерация занимает около 25 дней, а полный процесс оптимизации может занять до 24 лет.
Алгоритм QPE ориентирован на будущие отказоустойчивые квантовые компьютеры и теоретически обладает высокой точностью, но зависит от степени перекрытия начального квантового состояния с истинным основным состоянием. Исследования показывают, что по мере увеличения размера молекулы это перекрытие экспоненциально затухает, что приводит к значительному снижению вероятности успешного измерения энергии основного состояния. Это явление известно как «катастрофа ортогональности» и означает, что даже с появлением отказоустойчивых квантовых компьютеров QPE все еще может столкнуться с узким местом в эффективности при обработке больших молекул.
Исследование отмечает, что классические методы вычислительной химии по-прежнему остаются конкурентоспособными на данном этапе и в некоторых сценариях даже превосходят квантовые подходы. «Эти наблюдения могут указывать на то, что оценка энергии основного состояния в химии не обязательно является самой подходящей целью для квантовых компьютеров. Помимо проблем с самим квантовым процессором, причиной также является относительно высокое качество классических методов подготовки состояний».
Исследовательская группа подчеркивает, что постоянное совершенствование отказоустойчивого квантового оборудования, методов подготовки состояний и квантовых алгоритмов может постепенно преодолеть существующие препятствия. Однако на данном этапе для достижения практических преимуществ квантовых вычислений в области моделирования молекул все еще требуются прорывы как в технологиях, так и в теории.
Детали публикации: Авторы: Rupendra Brahambhatt и др. Название: «Квантовые компьютеры все еще с трудом выполняют самые сложные молекулярные вычисления в химии». Опубликовано в: Physical Review B. Информация о журнале: Physical Review B.
