brainax

Моделирование молекул

Урок 13 из 23 курса «Квантум: курс с нуля». Бесплатно, с анимациями и тестом.

Зачем вообще придумали квантовый компьютер

Идея родилась не ради взлома шифров. В 1981 году физик Ричард Фейнман сказал на конференции: природа квантовая, и если хочешь её симулировать, делай это квантово. Электроны в молекуле живут в суперпозиции, и каждый новый участок молекулы удваивает число вариантов. По оценке IBM, чтобы точно описать молекулу кофеина из 24 атомов, нужно около 10⁴⁸ бит. Это больше, чем атомов на Земле. А кубиты устроены так же, как сама молекула, поэтому описывают её естественно.

Лекарства: ключ и замок

Лекарство работает, когда его молекула садится в «карман» белка, как ключ в замок. Предсказать, насколько крепко она сядет, мешают квантовые эффекты, и фармкомпаниям приходится синтезировать и проверять тысячи кандидатов. В мае 2026 года IBM, клиника Кливленда и японский институт RIKEN смоделировали белок из 12 635 атомов: часть расчёта делал чип на 156 кубитов, остальное — суперкомпьютер Fugaku. Это рекорд по размеру, но превосходства над обычными методами авторы не заявляют и называют работу отправной точкой.

Удобрения и миллионы тонн CO₂

Половина людей на планете ест еду, выращенную на азотных удобрениях. Их делают процессом Габера — Боша: около 450 градусов и давление в сотни атмосфер. По распространённым оценкам, он съедает 1–2% всей энергии мира. А бактерии делают то же самое при комнатной температуре с помощью фермента нитрогеназы. Как именно, до конца не понятно: сердце фермента, кластер FeMoco, слишком сложно для обычных расчётов. Его много лет называли идеальной задачей для квантового компьютера.

Первые проверяемые шаги

В октябре 2025 года Google показала алгоритм Quantum Echoes на 105-кубитном чипе Willow. Систему запускают вперёд, слегка «толкают» один кубит и прокручивают назад, а потом смотрят, как изменилось «эхо». Такой расчёт оказался в 13 000 раз быстрее, чем на суперкомпьютере Frontier, и его результат можно повторить на другом квантовом компьютере. Это важно: прошлые рекорды проверить было почти нельзя. Плюс команда опробовала метод на настоящих молекулах как шаг к измерению их формы.

Как это выглядит на практике сегодня

Сегодняшние чипы шумные, поэтому химию считают в паре. Квантовый процессор генерирует варианты того, как могут располагаться электроны: это та часть, которая обычным компьютерам даётся тяжело. Суперкомпьютер отбрасывает явный шум, уточняет ответ и решает, что спросить у чипа дальше. Так устроены и белок IBM, и большинство химических демонстраций последних лет. Сама IBM называет это квантово-центричными суперкомпьютерами.

Гонка, в которой бегут оба

Важный урок честности. В марте 2026 года исследователи показали, что ту самую модель FeMoco, «идеальную задачу для квантового компьютера», удалось посчитать с химической точностью на обычных компьютерах, хитро отсеяв варианты. Обычные алгоритмы тоже совершенствуются, и каждое квантовое преимущество приходится доказывать заново. Реальный выигрыш в химии ждут с компьютерами с коррекцией ошибок, а их крупные игроки обещают к концу десятилетия. Хочешь в эту сферу — учи и химию, и код: нужны люди на стыке.

Проверь себя

  1. Почему молекулы трудно считать на обычных компьютерах?
    Правильный ответ: Электроны в суперпозиции: варианты растут экспоненциально. Каждая новая часть молекулы удваивает число вариантов, как с кубитами. Для кофеина точный расчёт потребовал бы около 10⁴⁸ бит.
  2. Как честно описать работу IBM с белком из 12 635 атомов?
    Правильный ответ: Рекорд по размеру в паре с суперкомпьютером, без заявки на превосходство. Это гибридный расчёт и препринт. Авторы сами называют его отправной точкой и не заявляют превосходства.
  3. Что показал пример FeMoco в 2026 году?
    Правильный ответ: Обычные алгоритмы тоже улучшаются, преимущество надо доказывать. Модель FeMoco посчитали на обычных компьютерах. Это не приговор квантовой химии, а напоминание: гонка идёт с двух сторон.

← Алгоритм Шора и RSA Хайп против пользы →