Квантовый расчет в 50 раз эффективнее: российские ученые оптимизировали алгоритм изучения молекул

Исследователи НИТУ МИСИС и КФУ улучшили квантовые алгоритмы, чтобы в десятки раз быстрее изучать молекулы для фармацевтики, химической промышленности, материаловедения, энергетики и др. Метод уже адаптирован к возможностям современных устройств и приближает квантовые вычисления к решению реальных промышленных задач. Оптимизация вариационного квантового алгоритма для поиска собственных значений позволила значительно сократить количество квантовых операций для моделирования молекул.

Химия и материаловедение все чаще сталкиваются с задачами, которые требуют точного расчета поведения электронов в молекулах. Такие вычисления помогают создавать новые материалы, однако обычные компьютеры не способны моделировать сложные молекулы с необходимой степенью точности — даже суперкомпьютеры не всегда справляются с объемом вычислений.

Одним из наиболее перспективных на сегодняшний день алгоритмов для таких задач является вариационный квантовый алгоритм для поиска собственных значений. Он адаптирован к запуску на современных квантовых компьютерах, точной работе которых мешает любое нежелательное внешнее влияние. Алгоритм позволяет поэтапно находить наиболее стабильное состояние молекулы с помощью совместной работы квантового и классического компьютера.

Хотя квантовые компьютеры имеют ряд преимуществ, для практических применений в химии главным барьером всегда были слишком сложные схемы и огромное число двухкубитных операций, которые чаще всего выдают ошибки. Исследователи НИТУ МИСИС и Казанского федерального университета предложили способы оптимизации вариационного квантового алгоритма, которые позволяют значительно сократить ресурсы, необходимые для моделирования реальных органических молекул, сохранив при этом высокую точность.

Ученые разработали новую стратегию: для уменьшения количества измерений они исключили из расчетов электроны, не влияющие на химические свойства, сократили число кубитов, сгруппировали операторы и упростили квантовые схемы. Сначала эти изменения протестировали на простых молекулах, а затем применили к более сложным — метиламину и муравьиной кислоте, которые играют значимую роль в биологии, а также в фармацевтической, текстильной и пищевой промышленности. В итоге число двухкубитных операций, ранее доходящее до 600 тысяч, удалось сократить до примерно 12 тысяч, при этом точность расчетов осталась на необходимом уровне.