Dopotutto, la chimica quantistica potrebbe non essere la “killer app” per i computer quantistici.

I calcoli della chimica quantistica che potrebbero far avanzare lo sviluppo di farmaci o l’agricoltura sono recentemente emersi come una promettente “killer application” dei computer quantistici, ma una nuova analisi suggerisce che è improbabile che ciò accada.

I progressi nella costruzione di computer quantistici hanno subito un’accelerazione negli ultimi anni, ma rimane una questione aperta su quali usi abbiano maggiori probabilità di giustificare gli investimenti continui in questa tecnologia. Un concorrente popolare sta risolvendo problemi di chimica quantistica, come il calcolo dei livelli energetici di molecole rilevanti per la biomedicina o l’industria. Ciò richiede di tenere conto del comportamento di molte particelle quantistiche – gli elettroni nella molecola – simultaneamente, quindi sembra una buona corrispondenza per i computer costituiti da molte parti quantistiche.

Tuttavia, Saverio Vantal CEA Grenoble in Francia e colleghi hanno ora dimostrato che i due principali algoritmi di calcolo quantistico possono in realtà essere di utilità limitata per questo compito, nella migliore delle ipotesi.

Riguardo all’uso dei computer quantistici per i calcoli sull’energia molecolare, dice: “Il mio pensiero personale è che probabilmente è condannato, non provato, ma probabilmente condannato”.

I ricercatori hanno diviso la loro analisi matematica in due parti, una relativa ai computer quantistici esistenti, che sono tutti soggetti a errori, e una relativa ai futuri computer quantistici che sarebbero “tolleranti ai guasti” o completamente a prova di errore.

Quando si utilizzano computer quantistici soggetti a errori o rumorosi, i livelli di energia molecolare possono essere calcolati con l’algoritmo VQE (variational quantum eigensolver), ma l’accuratezza dei risultati dipende da quanto grave è il rumore.

L’analisi del team ha scoperto che affinché VQE possa competere in termini di precisione con gli algoritmi chimici eseguiti su computer convenzionali, il rumore dei computer quantistici dovrebbe essere soppresso in modo così severo da essere effettivamente tolleranti ai guasti. In particolare, non è stato ancora costruito un computer quantistico pratico e tollerante ai guasti.

Diverse società di informatica quantistica mirano a creare entro cinque anni dispositivi quantistici tolleranti ai guasti e in grado di calcolare le energie delle molecole con un diverso algoritmo chiamato stima della fase quantistica (QPE). Qui la questione degli errori è quasi eliminata, ma lo studio evidenzia un problema noto con il nome inquietante di “disastro dell’ortogonalità”.

In parole povere, ciò significa che all’aumentare della dimensione delle molecole, la probabilità che il QPE calcoli il suo livello energetico più basso diminuisce esponenzialmente. Di conseguenza, i membri del team Thibaud Louvet La società francese di informatica quantistica Quobly afferma che, anche con grandi computer quantistici, ci saranno pochissimi casi in cui utilizzarli per eseguire un QPE sarebbe l’opzione più pratica e migliore. A suo avviso, la capacità di eseguire questo algoritmo dovrebbe essere vista come un punto di riferimento della maturità di un computer quantistico, che potrebbe diventare un pilastro per i chimici professionisti.

“È facile sopravvalutare le possibilità dei computer quantistici in quest’area, poiché molte persone pensano che l’avvento dei computer quantistici renderà immediatamente obsoleto qualsiasi approccio classico alla chimica quantistica”, afferma. cabina di Giorgio al King’s College di Londra, che non fu coinvolto in questo lavoro. “Questo studio evidenzia chiaramente le sfide significative per simulazioni molecolari accurate che persisteranno anche nell’era della tolleranza agli errori, e mette in dubbio se la chimica quantistica sia davvero una vittoria così rapida per i computer quantistici.”

Ma dice che ci sono ancora altri modi in cui i computer quantistici possono essere utilizzati in chimica. Ad esempio, possono simulare il modo in cui i sistemi chimici cambiano dopo essere stati perturbati, come quando vengono influenzati dalla luce laser.