Современный научный мир сделал еще один большой шаг к будущему: коллектив ученых из НИТУ МИСИС и Казанского федерального университета под руководством Алексея Федорова сумел качественно повысить эффективность квантовых расчетов молекул. Эти вычислительные методы уже сейчас могут изменить подход к созданию лекарств, материалов для новой энергетики, а также катализаторов для химической промышленности.
Революция в сложных расчетах молекул
Квантовые технологии открывают перед человечеством возможности, которые еще недавно считались фантастикой. Расчеты поведения электронов в молекулах — важнейшая задача для разработки новых веществ и лекарств. Однако традиционные вычислительные системы, даже самые производительные суперкомпьютеры, зачастую не способны обработать огромный объем данных, необходимый для моделирования сложных органических структур. Именно здесь на первый план выходят квантовые компьютеры.
Современные квантовые алгоритмы и вызовы практики
Одной из ключевых технологий моделирования молекул стал вариационный квантовый алгоритм поиска собственных значений. Этот подход строится на тесном взаимодействии квантовых и классических вычислений. В нем используется способность квантовых компьютеров шаг за шагом находить наименее энергичное, а значит — наиболее стабильное состояние любой молекулы. Но для успешного внедрения метода в науку и промышленность требовалась его глубокая оптимизация: стандартные схемы слишком сложны, а количество двухкубитных операций, которые склонны к ошибкам, оставалось чрезвычайно высоким.
Прорывная оптимизация от российской команды
Исследователи НИТУ МИСИС и КФУ предложили и реализовали новую стратегию, позволяющую значительно снизить требования к ресурсам при сохранении высокой точности моделирования молекул. В первую очередь они исключили из вычислений те электроны, воздействие которых на химические свойства несущественно, разумно уменьшили количество необходимых кубитов, а операторы — сгруппировали, максимально упростив сами квантовые схемы.
Все эти усовершенствования прошли проверку в несколько этапов: сперва эксперименты провели на сравнительно несложных молекулах, а далее проверили свою гипотезу на более важных в реальной промышленности соединениях, таких как метиламин и муравьиная кислота. Оба вещества широко используются в различных областях — от биотехнологий до пищевой и текстильной отраслей.
Результаты оказались впечатляющими: если раньше число двухкубитных операций в расчетах достигало 600 тысяч, то теперь стало достаточно примерно 12 тысяч. Это позволило ускорить вычисления почти в 50 раз — без потери качества и точности итоговых данных.
Взгляд в завтрашний день: квантовые вычисления в индустрии
Алексей Федоров, директор Института физики и квантовой инженерии и один из ведущих авторов разработки, подчеркнул значимость этого прорыва: «Благодаря оптимизации мы добились снижения сложности расчетов вплоть до возможностей, которыми располагают современные прототипы квантовых компьютеров. В недалеком будущем такие вычисления станут рабочим, а главное — доступным инструментом для реальных научных и промышленных задач».
Новые алгоритмы могут сделать возможным не только молекулярный дизайн эффективных лекарств, но и ускорить создание катализаторов, материалов для компактных батарей и топливных ячеек, а также новых технологий хранения энергии. Подобные инициативы соответствуют мировому тренду — максимально быстро внедрять квантовые разработки в практику, чтобы повысить качество жизни людей и вывести отечественную науку на принципиально новый уровень.
Технологическое будущее с поддержкой НИТУ МИСИС и КФУ
Исследование стало частью долгосрочной стратегии технологического развития, реализуемой в рамках масштабного проекта «Квантовый интернет» в НИТУ МИСИС по грантовой программе «Приоритет-2030». Благодаря поддержке университета, лучшие российские специалисты в области квантовых вычислений и алгоритмов могут внедрять свои идеи, не уступающие и зачастую опережающие ведущие мировые наработки.
Работа, выполненная совместными усилиями двух ведущих университетов — НИТУ МИСИС и Казанского федерального университета — демонстрирует впечатляющий синергетический эффект. Сотрудничество позволяет не только развивать российскую научную школу, но и активно интегрировать достижения в реальный сектор экономики.
Потенциал открытия: что дальше?
Перспектива применения оптимизированных квантовых методов вызывает энтузиазм в научном сообществе и среди представителей промышленности. Специалисты уверены: прорыв, достигнутый командой Алексея Федорова, выступает не только научным успехом, но и прочным фундаментом для целого ряда последующих инноваций.
Квантовые вычисления вскоре перестанут быть уделом только исследовательских лабораторий. Уже в ближайшее десятилетие они появятся в арсенале ведущих фармацевтических и технологических компаний, ускорят разработку новых материалов, сделают химический синтез более экологичным и точным. Российские ученые вновь подтверждают свой высокий статус на мировой научной арене и демонстрируют, что отечественные разработки могут стоять на передовой мировой науки и техники.
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
