Молекулярная симуляция уже давно не является чем-то революционным, и даже современный пользовательский компьютер сможет осуществлять подобные операции при наличии соответствующего ПО. К тому же, модель может включать в себя гораздо больше трех атомов. В прошлом году инженеры Google смоделировали связь пары атомов водорода на собственном компьютере, продемонстрировав доказательство того, что подобные операции возможно, но есть один очень важный нюанс. Даже крупнейшие суперкомпьютеры современности не могут справиться с экспоненциальным характером отслеживания взаимодействий каждого нового электрона, участвующего в связях между молекулами. А вот для квантового компьютера подобная задача — все равно, что послеобеденная прогулка в парке.

Квантовые технологии в наши дни

Последнее время разработки в области квантовых вычислительных технологий все чаще попадают под пристальное внимание СМИ. Крупные игроки на бирже информационных технологий вкладывают значительные средства в борьбу за «квантовое превосходство» — ту гипотетическую границу, после которой квантовые компьютеры из экспериментальных установок превращаются в по-настоящему практичные и доступные инструменты, на порядок превосходящие современные устройства по эффективности. Дело не только в научном, но и в самом банальном экономическом интересе: та компания, которая первой разработает и выпустит на рынок компьютеры нового поколения, сорвет солидный куш — как со стороны военных и научно-технических корпораций, так и со стороны рядового пользователя.

Так выглядит квантовый компьютер Google D-Wave

Что такое «квантовый компьютер», если говорить простым языком? Это устройств, которое использует двоичные состояния частиц в определенных видах вычислений так же, как цифры 0 и 1 используются в двоичном коде. К примеру, частица может обладать свойством суперпозиции — размытой неопределенностью, которая может быть применена в вычислениях. Обычному компьютеру для этого потребовалось бы слишком большое время, а потому сейчас применение квантовых систем вычисления в тех или иных областях науки более чем оправдано.

Практическое использование квантовых компьютеров

Взять, к примеру, химию. Помните рисунки, с помощью которых школьные химики объясняют ученикам, что такое атом и электроны? Атом — кружок в центре, вокруг которого на кольцевых орбитах в тех или иных точках нарисованы кружки поменьше — электроны. Это чем-то напоминает Солнечную систему, но подобная схема хороша лишь для самого примитивного объяснения — к реальности она имеет весьма отдаленное отношение. На самом деле, электроны не ведут себя как маленькие сферы энергии: они находятся в феноменально огромном количестве потенциальных состояний, расчет которых лишь усложняется с каждым новым электроном, который участвует в образовании связей. Изучению этого феномена физики посвятили целую область, которая называется теорией многих тел. Она исследует и описывает коллективное поведение систем, состоящих из множества взаимодействующих друг с другом частиц.

Для расчетов возможных взаимодействий компьютерам необходимы огромные вычислительные мощности. Поскольку часто они недоступны для рядовых ученых, физики прибегают к упрощениям. К примеру, существует целая группа численных методов под общим названием «метод Монте-Карло», основанных на получении большого числа случайных значений. Но когда дело доходит до увеличения количества частиц в системе, эти методы перестают быть актуальными, и лишь наличие квантового компьютера поможет ученым избежать ошибок.

Но здесь возникает еще одна важная проблема: квантовые компьютеры даже самых последних моделей тоже могут ошибаться. Инженеры IBM взяли в качестве модели BeH2 — не самую сложную и замысловатую молекулу на земле, но даже в таком случае расчеты велись в микросекундах (1 микросекунда = 10-6 секунд). Цель исследования заключалась в том, чтобы разработать эффективный алгоритм, описывающий расположение частиц в трехатомных молекулах, в том числе в молекулах гидрида лития и гидрида бериллия. В своем блоге исследовательская группа IBM отмечает, что «новая схема отличается от ранних алгоритмов квантового моделирования, которые направлены на адаптацию классических схем молекулярного моделирования к квантовому оборудованию — и при этом не учитывают расходы на современные квантовые устройства». Иными словами, IBM пошла по пути не только научности, но и выгоды, что лишь играет квантовым технологиям на руку.

Будущее квантовых технологий

Что это значит для всего человечества? Подобные технологии квантового моделирования чрезвычайно важны для медицины. С их помощью фармакологи будущего смогут предсказать результат воздействия лекарства на организм человека еще на стадии разработки, что позволит качественно увеличить вероятность успешного лечения. Но, разумеется, медициной все не ограничивается: любая промышленность так или иначе связана с взаимодействием частиц различных материалов друг с другом, а потому «квантовая эра» в буквальном смысле выведет технологии на качественно новый уровень.