Это прорыв, который приближает нас к использованию квантовых компьютеров в химии и медицине.

Долгое время считалось, что квантовые технологии помогут в реальном времени отслеживать, как атомы взаимодействуют, образуя новые соединения или реагируя на свет.

Теперь квантовый химик Иван Кассал и физик Тингрэй Тан доказали, что это возможно. Они использовали квантовый компьютер с ионными ловушками в лаборатории университета, применив новый метод кодирования данных, который требует гораздо меньше ресурсов.

Результаты опубликованы в издании Journal of the American Chemical Society.

До сих пор квантовые компьютеры могли рассчитывать только статические свойства молекул — например, их энергию. Но динамические процессы, особенно те, что происходят под действием света, оставались слишком сложными для моделирования. Теперь ученые смогли симулировать, как молекулы ведут себя при поглощении света — это включает сверхбыстрые изменения на электронном и колебательном уровнях, которые обычные компьютеры обрабатывают с трудом.

Кассал сравнивает это с походом в горы:

Одно дело — знать начальную и конечную точку маршрута и высоту подъема. Но это не объясняет, какой путь вы пройдете. Наш метод позволяет увидеть всю динамику взаимодействия света и химических связей — как если бы мы отслеживали положение и энергию альпиниста в любой момент его пути.

Это открытие поможет в изучении фотосинтеза, повреждения ДНК ультрафиолетом, фотодинамической терапии рака, разработке солнцезащитных кремов и более эффективных солнечных батарей. Тан добавляет:

Сейчас мы плохо понимаем сверхбыстрые фотохимические процессы. Точное моделирование ускорит создание новых лекарств и материалов.

В 2023 году та же команда замедлила квантовые процессы в 100 миллиардов раз, чтобы изучить их. Теперь они применили этот подход к трем реальным молекулам — аллену (C₃H₄), бутатриену (C₄H₄) и пиразину (C₄N₂H₄). Классические суперкомпьютеры пока справляются с такими расчетами, но для более сложных молекул их мощности не хватит.

Главное преимущество метода — его эффективность. Вместо 11 идеальных кубитов и 300 000 операций ученые использовали всего один ион в ловушке. Кассал говорит:

Наш подход в миллион раз экономичнее. Теперь мы можем изучать сложные химические процессы с минимальными ресурсами.

Этот эксперимент доказывает, что квантовое моделирование реальных молекул — не фантастика, а ближайшее будущее науки.

Этот прорыв важен по трем причинам:

• Медицина — точное моделирование фотохимии поможет создавать лекарства для терапии рака или защиты от УФ.
• Энергетика — понимание фотосинтеза на квантовом уровне может привести к более эффективным солнечным панелям.
• Материаловедение — можно проектировать соединения с заданными свойствами, например, самовосстанавливающиеся полимеры.

Но главное — метод экономит ресурсы. Если раньше для таких расчетов требовались идеальные кубиты (которых пока нет), теперь можно обойтись одной ионной ловушкой.

Отметим, что пока метод тестировали только на простых молекулах. Реальные задачи — например, моделирование белков или катализаторов — потребуют масштабирования технологии. Не факт, что удастся сохранить ту же эффективность.

Ранее ученые сообщили, что квантовые компьютеры ускоряют решение задач с матроидами.