Il computer quantistico decifra facilmente il codice molecolare complesso
La fisica quantistica e i supercomputer hanno "rotto" la molecola più complessa della storia umana
banner di prova sotto l'immagine del titolo
I sistemi di calcolo quantistico sono spesso considerati la tecnologia del futuro, ma stanno già contribuendo a svelare i misteri molecolari nella ricerca chimica.
Sandeep Sharma, professore di chimica al Caltech, insieme ai colleghi di IBM e del RIKEN Center for Computational Science giapponese, ha dimostrato la sinergia tra computer quantistici e classici nella risoluzione di problemi complessi. Gli scienziati hanno determinato i livelli energetici degli elettroni nella molecola del cluster ferro-zolfo [4Fe-4S], un componente chiave di molti processi biologici, tra cui il funzionamento dell'enzima nitrogenasi, che converte l'azoto atmosferico in ammoniaca per le piante.
Gli algoritmi tradizionali presentano notevoli difficoltà con tali calcoli. Il processore quantistico Eagle di IBM ha semplificato la formulazione del problema e il supercomputer Fugaku del RIKEN ha completato i calcoli. L'esperimento ha coinvolto fino a 77 qubit, un numero significativamente maggiore rispetto agli studi precedenti. I risultati sono pubblicati sulla rivista Science Advances.
Come funziona? In chimica quantistica, il problema fondamentale è determinare lo stato fondamentale di un sistema, che corrisponde all'energia minima. È descritto da una funzione d'onda, che indica la probabile distribuzione degli elettroni. La soluzione esatta dell'equazione di Schrödinger per molecole complesse richiede un'enorme potenza di calcolo.
I metodi classici cercano di ridurre i calcoli eliminando i dati "ridondanti", il che riduce l'accuratezza. Un computer quantistico utilizza un approccio diverso: identifica gli elementi più significativi di una matrice (un modello matematico di un sistema), dopodiché il supercomputer risolve l'equazione.
"È troppo presto per affermare che gli algoritmi quantistici siano assolutamente superiori a quelli classici, ma abbiamo fatto progressi significativi rispetto ai nostri predecessori", osserva Sharma.
Questa metodologia può accelerare la creazione di nuovi materiali, prodotti farmaceutici e catalizzatori. Ad esempio, la comprensione dei meccanismi di partecipazione dei cluster ferro-zolfo alla fissazione dell'azoto consentirà lo sviluppo di fertilizzanti efficaci o di analoghi artificiali della nitrogenasi. Il metodo è promettente anche per la nanotecnologia, con la progettazione di precisione di strutture molecolari.
Nonostante i risultati impressionanti, il dominio pratico del calcolo quantistico non è ancora arrivato. 77 qubit rappresentano un risultato significativo, ma per un balzo rivoluzionario sono necessari centinaia o migliaia di qubit stabili. Inoltre, l'algoritmo rimane dipendente dal calcolo classico, il che esclude la possibilità di una sua completa sostituzione con i sistemi quantistici nel prossimo futuro.
Leggi anche: Una costellazione di supercomputer in orbita: un esperto valuta il nuovo progetto spaziale cinese
Autori:
mk.ru
