Классический компьютер превзошел квантовый в решении химической задачи

Азотфиксация — процесс, без которого невозможна жизнь: именно он превращает атмосферный азот  в аммиак, доступный для живых организмов. В природе это делает фермент нитрогеназа, а его ключевой элемент —  Железо-молибденовый кофактор FeMoco. Он состоит из нескольких атомов переходных металлов и имеет сложную электронную структуру, которую десятилетиями пытались точно рассчитать.

Из-за большого числа взаимодействующих электронов такая задача считалась одной из главных целей для квантовых вычислений: предполагалось, что классические методы с ней не справятся. Однако исследователи показали, что это не так: они рассмотрели модель системы (76 орбиталей) и разработали классические алгоритмы, которые позволяют оценить энергию основного состояния с химической точностью.

Физики учли, что состояние системы представляет собой смесь многих конфигураций электронов, и аккуратно построили приближенные оценки энергии. В результате ученым удалось не только решить «эталонную» задачу, но и предложить более простой подход для анализа реалистичных моделей FeMoco. Это означает, что классические вычисления в квантовой химии пока рано списывать со счетов, даже для задач, которые считались областью будущих квантовых вычислителей.

Железо-молибденовый кофактор (FeMoco) — это невероятно сложный биологический катализатор, играющий центральную роль в азотфиксации. Этот процесс позволяет микроорганизмам преобразовывать атмосферный азот в аммиак, доступный для живых организмов. Точное моделирование структуры FeMoco, включающей 130 орбиталей, долгое время считалось одной из «эталонных» задач для будущих квантовых компьютеров. Для ее решения потребуются системы с как минимум 1500 логическими кубитами и миллиардами операций.

Однако международная команда ученых неожиданно представила полностью классический метод, который уже сегодня позволяет с высокой химической точностью рассчитывать электронную структуру FeMoco. Несмотря на использование некоторых допущений и аппроксимаций, это исследование подчеркивает, что конкуренция между классическими и квантовыми вычислениями в химии будет продолжаться еще долго.

https://arxiv.org/abs/2601.04621

Источник: arxiv.org

Комментарии: