Квантовые компьютеры оказались бесполезны там, где на них возлагались большие надежды

Квантово-химические расчеты, которые могли бы ускорить разработку лекарств или развитие сельского хозяйства, кажутся наиболее подходящим применением для квантовых компьютеров. Однако новый анализ показывает, что это маловероятно.

Прогресс в создании квантовых компьютеров значительно ускорился в последние годы, но вопрос о том, какие приложения лучше всего оправдают огромные инвестиции в эту технологию, остается открытым. Одной из популярных областей является решение задач квантовой химии, таких как расчет энергетических уровней молекул, важных для биомедицины или промышленности. Подобные задачи требуют одновременного рассмотрения поведения множества квантовых частиц — электронов в молекуле — и поэтому кажутся идеальными для компьютеров, состоящих из множества квантовых элементов.

Французские физики-теоретики оценили производительность двух ведущих квантовых алгоритмов расчета молекулярных энергий, результаты которых были опубликованы в Physical Review B — и они разочаровывают.

«Лично я считаю, что это, скорее всего, обреченное начинание — не то, чтобы оно было доказано, но очень близко к этому», — говорит ведущий автор Ксавье Венталь из Гренобльского центра Комиссариата по атомной и альтернативной энергии.

Два алгоритма

Исследователи разделили свой математический анализ на две части: одна касается существующих квантовых компьютеров, которые по своей природе склонны к ошибкам, а другая — будущих квантовых компьютеров, которые будут «отказоустойчивыми», то есть полностью невосприимчивыми к ошибкам.

При использовании подверженных ошибкам («шумных») квантовых компьютеров уровни молекулярной энергии можно рассчитать с помощью вариационного квантового собственного решателя (VQE), но точность результатов зависит от уровня шума.

По результатам анализа, чтобы VQE мог конкурировать по точности с химическими алгоритмами, работающими на обычных компьютерах, шум в квантовых компьютерах необходимо подавлять настолько, чтобы они фактически стали отказоустойчивыми. Пока такого нет.

Несколько компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, планируют создать отказоустойчивые квантовые системы в течение пяти лет, и такие устройства смогут рассчитывать молекулярную энергию, используя другой алгоритм — оценку квантовой фазы (QPE). Здесь проблема ошибок в значительной степени устранена, но исследование выявило еще одну трудность, известную под зловещим названием «ортогональная катастрофа».

Проще говоря, это означает, что по мере увеличения размера молекул вероятность того, что QPE сможет рассчитать их минимальный энергетический уровень, уменьшается экспоненциально. В результате, как отмечает соавтор Тибо Луве из квантовой компании Quobly, даже при наличии отличных квантовых компьютеров существует лишь небольшое количество случаев, когда их использование для запуска QPE было бы наиболее практичным и оптимальным выбором. По его мнению, саму возможность запуска этого алгоритма следует рассматривать скорее как показатель зрелости квантовых компьютеров, а не как повседневный инструмент для работающих химиков.

Что делать?

"Легко увлечься ажиотажем по поводу перспектив квантовых компьютеров в этой области: многие люди думают, что их появление мгновенно сделает устаревшими любые классические подходы к квантовой химии. "Это исследование ясно указывает на серьезные проблемы, которые останутся даже в «эру отказоустойчивости», и ставит под вопрос, можно ли вообще считать квантовую химию «золотой жилой» для квантовых компьютеров», — сказал профессор Джордж Бут из Королевского колледжа Лондона.

Однако есть и другие способы использования квантовых компьютеров в химии, добавил он. Например, они могли бы смоделировать, как химические системы изменяются после внешнего воздействия, такого как облучение лазерным светом.