Группа под руководством доктора Кеннета Мерца из Центра вычислительных наук о жизни клиники Кливленда показала, как квантовые компьютеры могут быть использованы для исследования поведения молекул в водных растворах.
Понимание поведения молекул в жидкостях
Одним из важнейших компонентов химии является понимание того, как молекулы взаимодействуют в определённых жидкостях. Например, в растворах на основе воды молекула взаимодействует с окружающими её молекулами воды, что приводит к изменению её поведения. Если исследователи смогут предсказать, как изменится молекула в жидкости, они смогут создавать более эффективные лекарства и методы лечения.
Расчёт всех возможных реакций и исходов для каждой молекулы в растворителе занимает слишком много времени и средств для современных методов на классических компьютерах. Чтобы преодолеть эту проблему, лаборатория Мерца провела первое исследование, демонстрирующее неявное моделирование растворителей с использованием выборочной квантовой диагонализации (SQD) на реальном квантовом оборудовании. Это показало новый путь для более детального описания молекул в растворе.
Исследование опубликовано в специальном выпуске журнала
Статья, опубликованная в специальном выпуске The Journal of Physical Chemistry, также является первым исследованием, в котором SQD тестируется в фазе растворителя.
Для понимания поведения молекул в жидкостях доктор Мерц и его команда использовали IBM Quantum System One для запуска SQD, которая выбирает электронные конфигурации «образцов» молекулы, помогающие охарактеризовать энергию молекулы. Затем эти образцы отправляются на классический компьютер, который анализирует их и выбирает наиболее вероятные исходы.
Этот процесс повторяется и совершенствуется до тех пор, пока не будет сделан наиболее точный прогноз. В рамках партнёрства с IBM клиника Кливленда является домом для IBM Quantum System One — первого квантового компьютера, предназначенного для исследований в области здравоохранения.
Валидация модели
Для проверки модели команда протестировала её на четырёх полярных молекулах, которые часто встречаются в химии и биологии: метаноле, этаноле, метиламине и воде. В каждом тесте использовалось до 52 кубитов, что позволило достичь химической точности менее 1 ккал/моль. Эти результаты демонстрируют способность модели предсказывать энергию молекул и энергию сольватации.
«Это исследование является значительным шагом вперёд к практической квантовой химии на квантовых компьютерах», — говорит доктор Мерц. «Квантовые гибридные модели всё ещё в значительной степени неисследованы, и очень немногие из них тестировались на квантовом оборудовании. Тестируя эту модель на квантовом оборудовании, мы демонстрируем её возможности для продвижения химических исследований с использованием квантовых компьютеров».
Предоставлено клиникой Кливленда.