[Перевод] Нужны ли квантовые компьютеры чтобы понять химию?

Нужны ли нам квантовые компьютеры для полного понимания сложных химических реакций? Новый результат, на который ушли десятилетия, показывает неожиданную мощь обычных «классических» машин.

Больше всего Гарнета Чана интересует фундаментальная наука. Он занялся химией несколько десятилетий назад, чтобы понять некоторые из наиболее важных биохимических процессов на Земле.

Но с тех пор он стал центральной фигурой в другой области: в дебатах о том, будут ли квантовые компьютеры иметь решающее преимущество перед обычными «классическими». За последнее десятилетие многие исследователи квантовых вычислений определили те самые реакции, которые изучает Чан, как сферу, в которой квантовые компьютеры должны показать своё преимущество. Однако Чан давно сомневается, что мощные квантовые компьютеры — до появления которых ещё годы — будут необходимы.

«Мой главный интерес — решение химических задач. Если классические компьютеры — подходящий инструмент для этого, то мы должны ими пользоваться», — сказал он. Чан верит, что со временем квантовые компьютеры сыграют в химии важную роль. Но, по его словам, «я не вижу причин ждать, когда построят отказоустойчивый квантовый компьютер».

Теперь у него есть результат, который подкрепляет эту позицию.

В начале января 2026 года Чан и пять других квантовых химиков из Калифорнийского технологического института достигли важного этапа в понимании фермента нитрогеназы, который превращает атмосферный азот в аммиак и делает возможной жизнь на нашей планете. Это стало крупным триумфом для химиков-теоретиков, результатом десятилетий работы.

Однако на протяжении многих лет нитрогеназа служила и модельной задачей для квантовых вычислений — на ней собирались доказать состоятельность подхода. Чтобы понять этот фермент, исследователям нужно проследить за множеством электронов, связанных квантовой запутанностью. Число возможных конфигураций стремительно растёт вместе с числом электронов. Считалось, что разобраться в системе сможет только машина, умеющая работать с квантовыми состояниями.

Однако Чан и его коллеги использовали исключительно классические методы. Поэтому их результат важен вдвойне: и для химии, которая лежит в основе жизни, и для спора о том, нужны ли квантовые компьютеры, чтобы в этой химии разобраться.

«Я думаю, важно уточнить, что это не невыполнимая задача, для решения которой сначала нужно создать квантовый компьютер», — сказал Чан. 

Не все с этим согласны. Некоторые исследователи напоминают, сколько лет ушло на то, чтобы получить этот результат классическими методами. Даже если одна химическая задача в конечном итоге оказалась разрешимой классическими методами, говорят они, делать такие открытия поточно всё равно не получится без квантовых компьютеров.

«Если взять любую задачу оптимизации и потратить на это 20 лет, то можно решить её для одной конкретной системы», — сказал Джеймс Уитфилд, теоретик квантовых вычислений из Дартмутского колледжа. «Но можно ли перенести это решение на другие системы? На подобные вопросы нельзя ответить, решив одну конкретную задачу для одной молекулярной системы».

Решение этой конкретной проблемы, связанной с нитрогеназой, возможно, пока не положит конец спорам о квантовых компьютерах, но каждый шаг к пониманию всей химии этого фермента делает дискуссию менее гипотетической. 

Природная фабрика аммиака

Наряду с фотосинтезом фиксация азота — один из важнейших химических процессов для жизни на Земле. Именно нитрогеназа делает этот процесс возможным.

До появления нитрогеназы живые организмы были ограничены количеством азота, доступного для использования. Это было ироничным препятствием, учитывая, что планета насыщена азотом: этот элемент составляет около 80% её атмосферы. Но атмосферный азот существует в виде двухатомной молекулы N₂,которая инертна и, следовательно, непригодна для биологических процессов. Только редкие высокоэнергетические события могли расщепить эту молекулу и привести к образованию нитратов, которые могли бы использоваться жизнью.

«Организмы буквально ждали удара молнии. Именно так азот становился доступным для биомассы», — сказал Дэниел Суэсс, химик из Массачусетского технологического института, изучающий нитрогеназу.

Но 3 миллиарда лет назад, когда у ранних прокариотов развилась нитрогеназа, поток азота хлынул в биосферу. Этот фермент совершил то, чего не мог сделать ни один другой биологический процесс: он разорвал тройную связь, удерживающую N₂, и превратил инертный газ в биологически полезный аммиак.

Фермент работал эффективно, но был устроен чрезвычайно сложно. Ранним микробам, которые им пользовались, это было безразлично. А вот людям — спустя миллиарды лет — сложность фермента стала важна: они захотели повторить его трюк, чтобы производить удобрения.

Химическую сложность нитрогеназы во многом объясняет её активный центр — кластер атомов железа и молибдена, называемый FeMo-co.

Каждый атом железа несёт четыре или пять неспаренных электронов, и поведение которых зависит от поведения других. На деле FeMo-co — одна из самых коррелированных систем во всей биологии и яркий пример так называемой проблемы электронной корреляции: поскольку её электроны нельзя рассматривать независимо, чрезвычайно трудно определить свойства всей системы, такие как её истинная электронная структура и энергия. 

На протяжении большей части истории человечества насущным вопросом был не принцип работы нитрогеназы, а то, как получить достаточное количество производимого ею азота. Ещё в XIX веке самым надёжным источником усваиваемого азота оставалось гуано, добываемое на островах у побережья Перу, — ресурс настолько ценный и редкий, что за него велись войны. Затем немецкие химики Фриц Хабер и Карл Бош в 1909 году открыли технологию промышленной фиксации азота, и практическое значение этой проблемы уменьшилось.

А научный вопрос остался открытым: как нитрогеназа внутри обычной почвенной бактерии делает то, для чего процессу Хабера-Боша нужна промышленная печь?

Вопрос был важен сам по себе. А со временем стал ещё заметнее — когда начались споры о том, каким способом его решать.

Неофициальный эталон

Классический компьютер обрабатывает информацию как биты, которые принимают одно из двух значений: 0 или 1. Квантовый компьютер, напротив, использует кубиты, которые могут одновременно находиться в суперпозиции 0 и 1 и могут запутываться друг с другом способами, не имеющими классических аналогов. Это означает, что когда (или если) появится мощный квантовый компьютер, он сможет исследовать множество возможных решений проблемы одновременно, а не перебирать их последовательно. 

Для задач с подходящей математической структурой это обещает экспоненциальное ускорение по сравнению со всем, на что способна классическая машина. С тех пор как в 1990-х квантовые вычисления стали предметом теоретических исследований, открытым остаётся один вопрос: какие именно задачи подходят под это описание. Химия является одной из наиболее перспективных областей их применения. Одной из наиболее перспективных областей представляется моделирование химических взаимодействий: электронные взаимодействия, определяющие поведение молекул, по своей сути являются квантово-механическими, поэтому квантовый компьютер естественным образом приспособлен для их моделирования.

Статус нитрогеназы как неофициального эталона для квантовых вычислений восходит к встрече 2011 года: Microsoft собрала её, чтобы понять, какие задачи сможет решать её новая группа квантовых вычислений. Чан, который к тому времени уже более десяти лет изучал нитрогеназу, выступил с докладом об этом ферменте.

Он не знает, насколько его доклад повлиял на то, что было дальше, но в 2017 году исследователи Microsoft опубликовали статью в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, в которой утверждалось, что сложная запутанная структура нитрогеназы делает её моделирование эталонным испытанием для квантовых компьютеров .

По мнению Чана, это с самого начала было странным совпадением. Он спорил с этим и продолжал считать, что нитрогеназу можно смоделировать классическими методами — теми самыми, которые он разрабатывал всю свою карьеру.

Следующее десятилетие он потратил на то, чтобы это доказать. 

Дискуссия об основном состоянии

Чан и другие исследователи не ставили перед собой задачу объяснить весь механизм работы нитрогеназы от начала до конца. Вместо этого они обратились к широко используемой вычислительной модели FeMo-co и задали более предварительный вопрос: какова энергия её основного состояния?

Основное состояние — это электронная конфигурация FeMo-co с наименьшей энергией. С неё начинается вся реакция. Но FeMo-co содержит кластер из семи атомов железа, каждый из которых имеет четыре или пять неспаренных электронов, чьи квантовые «спины» могут быть направлены вверх или вниз, чьи орбитали могут смещаться и чьё поведение зависит от того, что делают окружающие их электроны.

Это делает измерение энергии основного состояния FeMo-co чрезвычайно сложным. Существует более 78 000 возможных конфигураций, в которых могут находиться электроны; основное состояние представляет собой суперпозицию, или своего рода взвешенную комбинацию, всех этих конфигураций. В принципе, уравнение Шрёдингера показывает, какой вклад все они вносят в основное состояние и какой должна быть его общая энергия. Но на практике решить это уравнение напрямую и точно для системы с таким количеством взаимодействующих электронов, как у FeMo-co, часто невозможно.

Это справедливо как для квантовых, так и для классических компьютеров. И там и там приходится начинать с грубого приближения — обоснованной догадки о том, какие конфигурации вносят в основное состояние наибольший вклад. Часто такая догадка появляется только после многих лет исследований. 

Затем, если вы используете классический компьютер, вы можете попытаться постепенно учесть другие конфигурации и показать, что остальные можно спокойно отбросить, поскольку они не сильно влияют на энергию основного состояния.

С другой стороны, теоретически, квантовый компьютер не потребует от вас исключать конфигурации из окончательной оценки. Вместо этого компьютер может представить ваше первоначальное предположение непосредственно в виде квантового состояния, а затем позволить этому состоянию эволюционировать во времени, пока оно естественным образом не достигнет нужной структуры основного состояния, что позволит вам точно рассчитать энергию.

Многие исследователи считают, что квантовые компьютеры здесь находятся в более выгодном положении, поскольку процесс классического исключения несущественных конфигураций может стать чрезвычайно сложным. Однако Чан и его коллеги не согласны с ними. Во-первых, утверждают они, квантовые компьютеры по-прежнему сталкиваются с тем же узким местом, связанным с необходимостью разумного начального приближения, и нет очевидной причины, по которой квантовые методы должны иметь какое-либо преимущество в преодолении этого узкого места. Во-вторых, классические методы быстро развиваются.

Но утверждать, что квантовые компьютеры в итоге могут и не понадобиться, — это, по словам Чана, «всё равно что идти против океанского прилива». 

Поиск решения

После получения докторской степени в Кембриджском университете в 2000 году Чан разрабатывал и совершенствовал методы сжатия сложных квантовых состояний, фокусируясь только на их наиболее важных конфигурациях. Теперь он и его команда надеялись применить эти подходы к FeMo-co.

Для отбора необходимых конфигураций они использовали два разных метода. Один из методов начинался с предположения, а затем постепенно корректировал поведение небольшого количества электронов. После этого они показали, что изменение количества электронов не приводит к существенным изменениям энергии, что дало им чёткий алгоритм, позволяющий игнорировать те или иные конфигурации.

Второй метод — тот самый, над которым Чан работал всю карьеру. Исходное состояние разбивали на части и позволяли информации перетекать между ними лишь в ограниченном объёме. Затем они показали, что изменения в этом потоке информации необходимо учитывать только до определённого предела. «Ключом к успеху стало осознание того, что описание можно получить с помощью «более простых» методов, и интенсивное использование этих методов (поскольку задача все ещё является вычислительно сложной)», — написал Чан в электронном письме.

Оба метода дали одну и ту же оценку энергии основного состояния FeMo-co — и она совпала с экспериментальными данными. Значит, с большой вероятностью найдено настоящее основное состояние. 

Изменение дискуссии

Чан надеется, что технические прорывы, достигнутые его командой, теперь можно будет распространить на моделирование всего фермента нитрогеназы и его реакции. «Я надеюсь, что все эти люди, которые утверждают: “Нам нужно создать квантовый компьютер для решения проблемы нитрогеназы”, присоединятся к этой миссии теперь, когда у нас есть способ это сделать», — сказал он.

Однако переход от основного состояния к полному математическому описанию реакции будет гораздо сложнее и потребует расчёта энергий для целой последовательности промежуточных химических состояний. «Мы даже близко не подошли к достижению заветной цели», — сказал Суэсс. «Мы пока описали только состояние покоя. Но этот метод многообещающий, поскольку позволяет с некоторой уверенностью двигаться дальше».

Также неясно, что этот результат может означать для надежд исследователей на квантовые вычисления. Уитфилд утверждает, что вычисление единственного значения энергии основного состояния никогда не было тем, в чем квантовые компьютеры должны были превзойти своих классических аналогов. По его словам, преимущество проявляется на следующем вопросе — как система меняется во времени. Иными словами моделирование целых химических реакций. Это, вероятно, покажет, насколько неэффективными могут быть классические методы — и насколько мощнее могут быть квантовые компьютеры.

После многих лет дружеских споров с сообществом квантовых вычислений Чан не ожидает, что новый результат изменит чьё-либо мнение. В конце концов, по его словам, моделирование квантовой химии с помощью квантовых компьютеров по-прежнему имеет большие перспективы: если бы квантовый компьютер стал доступен завтра, он с удовольствием бы им воспользовался. Но он надеется, что новый результат его команды поможет исправить ошибочное представление о том, что самые сложные химические проблемы просто недоступны до появления квантового оборудования.

«Наука самокорректируется, — написал он в электронном письме, — но довольно часто исправлениям не уделяется столько же внимания, сколько первоначальному заявлению, потому что сообщество уже переключилось на новые заявления». 

Автор перевода @arielf

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ нового VDS — HABRFIRSTVDS.