Когда один не тянет. Квант и суперкомпьютер "сломали" сложнейшую молекулу в истории

Международная группа исследователей под руководством профессора Калифорнийского технологического института Сандипа Шармы выполнила прорывное моделирование электронной структуры железо-серного кластера [4Fe-4S] — важного элемента ряда биохимических процессов. Впервые для этого была задействована гибридная вычислительная система: квантовый процессор Heron от IBM и один из самых мощных суперкомпьютеров в мире — Fugaku, созданный японским исследовательским центром RIKEN. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Молекула [4Fe-4S] играет критическую роль в функционировании фермента нитрогеназы — биологического катализатора, превращающего атмосферный азот в аммиак. Этот процесс, известный как азотфиксация, жизненно важен для цикла азота в природе и лежит в основе производства удобрений. Однако моделирование таких кластеров крайне затруднено: сложная электронная структура требует точного решения уравнений квантовой механики, что долгое время оставалось за пределами возможностей традиционных алгоритмов.

В эксперименте была реализована стратегия, при которой квантовый процессор выделяет ключевые компоненты волновой функции — математического описания вероятностного распределения электронов. После этого суперкомпьютер Fugaku завершает вычисления, обеспечивая необходимую точность. Впервые в подобной задаче использовано до 77 кубитов — это значительно больше, чем в предыдущих аналогичных проектах.

Пока нельзя однозначно утверждать, что квантовые алгоритмы уже превосходят классические, но нам удалось достичь уровня, которого до сих пор не достигал никто,

— отметил Сандип Шарма.

Классические методы квантовой химии вынуждены прибегать к аппроксимациям, отбрасывая значительную часть переменных, чтобы упростить модель. Это приводит к потерям в точности. В предложенной гибридной архитектуре квантовый компонент выполняет предварительную редукцию математической задачи, а классический вычислитель берёт на себя оставшуюся нагрузку, обеспечивая необходимую детализацию.

Авторы подчеркивают, что метод может быть масштабирован и применён к другим сложным молекулам, включая ферменты и катализаторы, создавая перспективы для быстрого и точного проектирования новых соединений в фармакологии, материаловедении и сельском хозяйстве. Например, более полное понимание механизмов работы нитрогеназы может помочь в создании искусственных систем фиксации азота, что значительно снизит потребность в энергозатратном синтезе аммиака по методу Габера — Боша.

Уважаемые читатели "Царьграда"!

Напоминаем, что вы можете читать самые интересные и важные новости Армении в Telegram, "Вконтакте" и "Одноклассниках"