Квантовое превосходство отменяется. Химики просчитали молекулу, подарившую Земле жизнь, на обычных компьютерах
NewsMakerКак им удалось разгадать тайну нитрогеназы на классических алгоритмах.
Химики из Калифорнийского технологического института рассчитали одну из самых трудных частей фермента, без которого жизнь на Земле не получила бы доступ к атмосферному азоту. Работа касается нитрогеназы - белка, который превращает молекулярный азот в аммиак. Для теоретической химии это важный результат сам по себе, но спор вокруг него вышел далеко за пределы биологии: расчёт выполнили на обычных компьютерах, хотя нитрогеназу много лет приводили как задачу, где квантовые машины должны получить решающее преимущество.
Гарнет Чан, один из ведущих специалистов по квантовой химии, давно занимается не столько будущим вычислительной техники, сколько конкретными химическими задачами. Его интересует, как описывать сложные реакции в живых системах. При этом именно работы Чана оказались в центре дискуссии о том, нужно ли ждать полноценных отказоустойчивых квантовых компьютеров, чтобы разобраться с самыми тяжёлыми молекулярными системами.
Новый результат усиливает позицию Чана. В начале января он и ещё пять химиков из Калтеха достигли важного этапа в описании нитрогеназы. Им удалось рассчитать состояние активного центра фермента классическими методами, то есть без квантового компьютера. Для области, где многие годы звучал тезис о почти неизбежном превосходстве квантовых вычислений, это заметный аргумент.
Нитрогеназа относится к ключевым молекулам земной биологии. Наряду с фотосинтезом фиксация азота входит в число процессов, без которых сложная жизнь не смогла бы развиваться в привычном виде. Атмосфера почти на 80% состоит из азота, но в воздухе он находится в виде молекулы N2. Два атома связаны прочной тройной связью, поэтому живые организмы не могут просто взять этот газ и встроить его в белки, ДНК или другие вещества.
До появления нитрогеназы жизнь зависела от редких событий, которые разрывали связь в молекуле азота. Одним из таких источников были молнии: высокоэнергетические разряды превращали часть атмосферного азота в соединения, пригодные для биологических процессов. Около трёх миллиардов лет назад ранние прокариоты получили другой путь. Нитрогеназа научилась разрывать N2 и превращать инертный газ в аммиак, который можно использовать для построения живой материи.
Фермент решает эту задачу через активный центр FeMo-co. Это кластер из атомов железа и молибдена, где и происходит главная химия. Именно он делает нитрогеназу настолько сложной для расчётов. Каждый атом железа несёт четыре или пять неспаренных электронов, а их состояние зависит не только от собственного положения, но и от поведения остальных частиц в кластере.
Так возникает проблема электронной корреляции. В простых моделях электроны иногда можно рассматривать почти независимо, но FeMo-co не позволяет такой грубости. Частицы связаны между собой квантовыми зависимостями, поэтому изменение одной части системы отражается на другой. Нужно понять общую электронную структуру и энергию кластера, а число возможных конфигураций растёт взрывным образом.
Исторически людей долго интересовал не механизм нитрогеназы, а аммиак как практический продукт. В 19 веке надёжным источником доступного азота служило гуано с островов у берегов Перу, и этот ресурс ценился настолько высоко, что за него возникали конфликты между государствами. В 1909 году Фриц Габер и Карл Бош создали промышленный процесс фиксации азота, который позволил массово получать аммиак для удобрений. Но научная загадка осталась: почвенная бактерия делает при обычных условиях то, что промышленность выполняет в жёстком химическом режиме.
Квантовые компьютеры вошли в этот спор из-за самой природы молекулярных расчётов. Обычный компьютер работает с битами, принимающими значение ноль или единица. Квантовый использует кубиты, которые могут находиться в суперпозиции и запутываться друг с другом. Для задач с подходящей математической структурой такая машина теоретически способна дать огромный выигрыш по скорости.
Химия давно считалась одним из самых естественных применений квантовых вычислений. Молекулы подчиняются законам квантовой механики, а значит, компьютер с квантовыми состояниями выглядит подходящим инструментом для их моделирования. Нитрогеназа стала неофициальным испытанием для этой идеи после встречи Microsoft в 2011 году, где обсуждали возможные применения квантовых машин. Чан тогда уже больше десяти лет занимался ферментом и рассказывал о его сложности.
В 2017 году исследователи Microsoft опубликовали статью , где назвали нитрогеназу убедительным тестом для квантовых компьютеров. Логика была понятной: если активный центр фермента содержит сильно запутанную систему электронов, обычным методам может не хватить мощности. Чан с самого начала относился к этому выводу скептически и считал , что классические алгоритмы ещё не исчерпали возможностей.
Новая работа не описывает весь механизм нитрогеназы от начала до конца. Исследователи сосредоточились на более базовом вопросе: какова энергия основного состояния FeMo-co. Основное состояние - это электронная конфигурация с минимальной энергией, от которой начинается дальнейшее описание реакции. Если этот уровень рассчитан неверно, все последующие этапы тоже окажутся ненадёжными.
Сложность в том, что активный центр содержит кластер из семи атомов железа, а у каждого есть несколько неспаренных электронов. Их спины могут принимать разные направления, орбитали меняются, а поведение каждой частицы зависит от соседей. Для FeMo-co существует больше 78 000 правдоподобных электронных конфигураций. Основное состояние представляет собой не одну картинку, а взвешенное сочетание многих вариантов.
Уравнение Шрёдингера в принципе описывает, как все эти конфигурации складываются в итоговое состояние и какую энергию должна иметь система. На практике прямое точное решение для такого числа взаимодействующих электронов почти недоступно. Проблема остаётся тяжёлой и для классических машин, и для будущих квантовых компьютеров. В обоих случаях нужно начать с разумного приближения - догадки о том, какие конфигурации вносят главный вклад.
Различие между подходами начинается дальше. Классический алгоритм пытается постепенно учитывать дополнительные конфигурации и доказать, что огромную часть оставшихся можно безопасно отбросить, потому что они почти не меняют энергию. Квантовый компьютер, если бы достаточно мощная машина уже существовала, мог бы представить начальную догадку как квантовое состояние и затем довести его до нужной структуры во времени. Сторонники такого пути считают, что именно здесь появится преимущество.
Чан и его коллеги спорят с этой уверенностью. По их мнению, квантовый метод всё равно упирается в необходимость хорошего начального приближения, а у будущего оборудования нет очевидного преимущества на этом этапе. Кроме того, классические методы за последние годы сильно продвинулись. Новая работа показывает, что даже в системе уровня FeMo-co можно отобрать важные конфигурации без квантового железа.
Команда использовала два независимых способа сжатия сложного квантового состояния. В первом подходе исследователи начинали с приближения и поэтапно меняли поведение небольших групп электронов. Затем они проверяли, дают ли более крупные изменения заметный вклад в энергию. Такой анализ показал, какие конфигурации необходимо оставить, а какие можно исключить без потери точности.
Второй метод связан с направлением, которое Чан развивал большую часть карьеры. Исходное состояние разбивали на части и ограничивали объём информации, который может проходить между ними. После этого исследователи повышали предел и смотрели, когда дальнейшее усложнение перестаёт менять результат. Идея состояла не в том, чтобы описать всё сразу, а в том, чтобы найти достаточно компактное представление для чрезвычайно связанной электронной системы.
Оба метода дали одну и ту же оценку энергии основного состояния FeMo-co. Она также совпала с тем, что учёные ожидали по экспериментальным наблюдениям. Это позволило авторам сделать вывод, что они нашли истинное основное состояние используемой модели активного центра.
Результат не закрывает всю задачу нитрогеназы. Чтобы описать работу фермента полностью, нужно рассчитать последовательность промежуточных химических состояний и понять, как система проходит через реакцию превращения азота в аммиак. Это намного сложнее, чем найти энергию покоя. Но теперь у химиков появился более надёжный старт для следующего этапа.
Спор о квантовых компьютерах после этой работы тоже не закончится. Часть исследователей считает, что один решённый пример не доказывает переносимость метода на другие системы. Джеймс Уитфилд из Дартмутского колледжа указывает, что многолетняя работа над одной задачей не отвечает на вопрос, можно ли так же эффективно решать целые классы молекулярных проблем.
Сторонники квантовых вычислений также считают, что главное преимущество может проявиться не в расчёте одной энергии основного состояния, а в моделировании развития системы во времени. Именно динамика реакции, последовательность переходов и изменение электронного состояния могут оказаться гораздо менее удобными для классических алгоритмов.
Чан не спорит с тем, что квантовые компьютеры могут оказаться важными для химии. Если бы мощная отказоустойчивая машина уже существовала, он сам хотел бы использовать такой инструмент. Его позиция другая: химикам не стоит считать самые сложные задачи недоступными до появления идеального квантового оборудования. История с FeMo-co показывает, что классические методы ещё способны сдвигать границу возможного.
Для нитрогеназы этот результат особенно важен, потому что фермент перестаёт быть только абстрактным примером в споре о будущих компьютерах. Каждый новый расчёт приближает учёных к пониманию того, как микробная молекулярная машина делает аммиак при мягких условиях, тогда как промышленности для похожей реакции понадобился процесс Габера-Боша. Теперь вопрос звучит уже практичнее: насколько далеко удастся продвинуться классическими методами, прежде чем квантовые компьютеры станут реальным рабочим инструментом химиков.
Химики из Калифорнийского технологического института рассчитали одну из самых трудных частей фермента, без которого жизнь на Земле не получила бы доступ к атмосферному азоту. Работа касается нитрогеназы - белка, который превращает молекулярный азот в аммиак. Для теоретической химии это важный результат сам по себе, но спор вокруг него вышел далеко за пределы биологии: расчёт выполнили на обычных компьютерах, хотя нитрогеназу много лет приводили как задачу, где квантовые машины должны получить решающее преимущество.
Гарнет Чан, один из ведущих специалистов по квантовой химии, давно занимается не столько будущим вычислительной техники, сколько конкретными химическими задачами. Его интересует, как описывать сложные реакции в живых системах. При этом именно работы Чана оказались в центре дискуссии о том, нужно ли ждать полноценных отказоустойчивых квантовых компьютеров, чтобы разобраться с самыми тяжёлыми молекулярными системами.
Новый результат усиливает позицию Чана. В начале января он и ещё пять химиков из Калтеха достигли важного этапа в описании нитрогеназы. Им удалось рассчитать состояние активного центра фермента классическими методами, то есть без квантового компьютера. Для области, где многие годы звучал тезис о почти неизбежном превосходстве квантовых вычислений, это заметный аргумент.
Нитрогеназа относится к ключевым молекулам земной биологии. Наряду с фотосинтезом фиксация азота входит в число процессов, без которых сложная жизнь не смогла бы развиваться в привычном виде. Атмосфера почти на 80% состоит из азота, но в воздухе он находится в виде молекулы N2. Два атома связаны прочной тройной связью, поэтому живые организмы не могут просто взять этот газ и встроить его в белки, ДНК или другие вещества.
До появления нитрогеназы жизнь зависела от редких событий, которые разрывали связь в молекуле азота. Одним из таких источников были молнии: высокоэнергетические разряды превращали часть атмосферного азота в соединения, пригодные для биологических процессов. Около трёх миллиардов лет назад ранние прокариоты получили другой путь. Нитрогеназа научилась разрывать N2 и превращать инертный газ в аммиак, который можно использовать для построения живой материи.
Фермент решает эту задачу через активный центр FeMo-co. Это кластер из атомов железа и молибдена, где и происходит главная химия. Именно он делает нитрогеназу настолько сложной для расчётов. Каждый атом железа несёт четыре или пять неспаренных электронов, а их состояние зависит не только от собственного положения, но и от поведения остальных частиц в кластере.
Так возникает проблема электронной корреляции. В простых моделях электроны иногда можно рассматривать почти независимо, но FeMo-co не позволяет такой грубости. Частицы связаны между собой квантовыми зависимостями, поэтому изменение одной части системы отражается на другой. Нужно понять общую электронную структуру и энергию кластера, а число возможных конфигураций растёт взрывным образом.
Исторически людей долго интересовал не механизм нитрогеназы, а аммиак как практический продукт. В 19 веке надёжным источником доступного азота служило гуано с островов у берегов Перу, и этот ресурс ценился настолько высоко, что за него возникали конфликты между государствами. В 1909 году Фриц Габер и Карл Бош создали промышленный процесс фиксации азота, который позволил массово получать аммиак для удобрений. Но научная загадка осталась: почвенная бактерия делает при обычных условиях то, что промышленность выполняет в жёстком химическом режиме.
Квантовые компьютеры вошли в этот спор из-за самой природы молекулярных расчётов. Обычный компьютер работает с битами, принимающими значение ноль или единица. Квантовый использует кубиты, которые могут находиться в суперпозиции и запутываться друг с другом. Для задач с подходящей математической структурой такая машина теоретически способна дать огромный выигрыш по скорости.
Химия давно считалась одним из самых естественных применений квантовых вычислений. Молекулы подчиняются законам квантовой механики, а значит, компьютер с квантовыми состояниями выглядит подходящим инструментом для их моделирования. Нитрогеназа стала неофициальным испытанием для этой идеи после встречи Microsoft в 2011 году, где обсуждали возможные применения квантовых машин. Чан тогда уже больше десяти лет занимался ферментом и рассказывал о его сложности.
В 2017 году исследователи Microsoft опубликовали статью , где назвали нитрогеназу убедительным тестом для квантовых компьютеров. Логика была понятной: если активный центр фермента содержит сильно запутанную систему электронов, обычным методам может не хватить мощности. Чан с самого начала относился к этому выводу скептически и считал , что классические алгоритмы ещё не исчерпали возможностей.
Новая работа не описывает весь механизм нитрогеназы от начала до конца. Исследователи сосредоточились на более базовом вопросе: какова энергия основного состояния FeMo-co. Основное состояние - это электронная конфигурация с минимальной энергией, от которой начинается дальнейшее описание реакции. Если этот уровень рассчитан неверно, все последующие этапы тоже окажутся ненадёжными.
Сложность в том, что активный центр содержит кластер из семи атомов железа, а у каждого есть несколько неспаренных электронов. Их спины могут принимать разные направления, орбитали меняются, а поведение каждой частицы зависит от соседей. Для FeMo-co существует больше 78 000 правдоподобных электронных конфигураций. Основное состояние представляет собой не одну картинку, а взвешенное сочетание многих вариантов.
Уравнение Шрёдингера в принципе описывает, как все эти конфигурации складываются в итоговое состояние и какую энергию должна иметь система. На практике прямое точное решение для такого числа взаимодействующих электронов почти недоступно. Проблема остаётся тяжёлой и для классических машин, и для будущих квантовых компьютеров. В обоих случаях нужно начать с разумного приближения - догадки о том, какие конфигурации вносят главный вклад.
Различие между подходами начинается дальше. Классический алгоритм пытается постепенно учитывать дополнительные конфигурации и доказать, что огромную часть оставшихся можно безопасно отбросить, потому что они почти не меняют энергию. Квантовый компьютер, если бы достаточно мощная машина уже существовала, мог бы представить начальную догадку как квантовое состояние и затем довести его до нужной структуры во времени. Сторонники такого пути считают, что именно здесь появится преимущество.
Чан и его коллеги спорят с этой уверенностью. По их мнению, квантовый метод всё равно упирается в необходимость хорошего начального приближения, а у будущего оборудования нет очевидного преимущества на этом этапе. Кроме того, классические методы за последние годы сильно продвинулись. Новая работа показывает, что даже в системе уровня FeMo-co можно отобрать важные конфигурации без квантового железа.
Команда использовала два независимых способа сжатия сложного квантового состояния. В первом подходе исследователи начинали с приближения и поэтапно меняли поведение небольших групп электронов. Затем они проверяли, дают ли более крупные изменения заметный вклад в энергию. Такой анализ показал, какие конфигурации необходимо оставить, а какие можно исключить без потери точности.
Второй метод связан с направлением, которое Чан развивал большую часть карьеры. Исходное состояние разбивали на части и ограничивали объём информации, который может проходить между ними. После этого исследователи повышали предел и смотрели, когда дальнейшее усложнение перестаёт менять результат. Идея состояла не в том, чтобы описать всё сразу, а в том, чтобы найти достаточно компактное представление для чрезвычайно связанной электронной системы.
Оба метода дали одну и ту же оценку энергии основного состояния FeMo-co. Она также совпала с тем, что учёные ожидали по экспериментальным наблюдениям. Это позволило авторам сделать вывод, что они нашли истинное основное состояние используемой модели активного центра.
Результат не закрывает всю задачу нитрогеназы. Чтобы описать работу фермента полностью, нужно рассчитать последовательность промежуточных химических состояний и понять, как система проходит через реакцию превращения азота в аммиак. Это намного сложнее, чем найти энергию покоя. Но теперь у химиков появился более надёжный старт для следующего этапа.
Спор о квантовых компьютерах после этой работы тоже не закончится. Часть исследователей считает, что один решённый пример не доказывает переносимость метода на другие системы. Джеймс Уитфилд из Дартмутского колледжа указывает, что многолетняя работа над одной задачей не отвечает на вопрос, можно ли так же эффективно решать целые классы молекулярных проблем.
Сторонники квантовых вычислений также считают, что главное преимущество может проявиться не в расчёте одной энергии основного состояния, а в моделировании развития системы во времени. Именно динамика реакции, последовательность переходов и изменение электронного состояния могут оказаться гораздо менее удобными для классических алгоритмов.
Чан не спорит с тем, что квантовые компьютеры могут оказаться важными для химии. Если бы мощная отказоустойчивая машина уже существовала, он сам хотел бы использовать такой инструмент. Его позиция другая: химикам не стоит считать самые сложные задачи недоступными до появления идеального квантового оборудования. История с FeMo-co показывает, что классические методы ещё способны сдвигать границу возможного.
Для нитрогеназы этот результат особенно важен, потому что фермент перестаёт быть только абстрактным примером в споре о будущих компьютерах. Каждый новый расчёт приближает учёных к пониманию того, как микробная молекулярная машина делает аммиак при мягких условиях, тогда как промышленности для похожей реакции понадобился процесс Габера-Боша. Теперь вопрос звучит уже практичнее: насколько далеко удастся продвинуться классическими методами, прежде чем квантовые компьютеры станут реальным рабочим инструментом химиков.