Jednou z nejčastějších otázek, kterou lidé kladou ohledně kvantových počítačů, je, kdy se stanou prakticky využitelnými. Odpověď však závisí na tom, pro jaké úkoly je chceme využít. Kvantové výpočty slibují průlom v mnoha oblastech – od kryptografie až po modelování složitých biologických procesů. Nejslibnějším polem jejich využití jsou však kvantové simulace, a to zejména v chemii.

Chemické reakce a chování katalyzátorů jsou závislé na pohybu elektronů, které se řídí kvantovou mechanikou. Z tohoto důvodu je možné simulovat jejich chování na kvantových počítačích mnohem efektivněji než na klasických. Dosavadní vývoj však brzdí nároky na výpočetní výkon – ke smysluplným simulacím je potřeba alespoň 100 kvantových bitů (qubitů) s opravou chyb. Nyní se však objevuje nová metoda, která by mohla tuto hranici významně snížit.

Zjednodušení simulací: Jak využít kvantovou mechaniku

Vědci z univerzit v Berkeley a na Harvardu představili inovativní přístup, jak simulovat složité chemické procesy s nižšími nároky na výpočetní výkon. Zaměřili se na katalyzátory, konkrétně na molekulu Mn4O5Ca, která hraje klíčovou roli v procesu fotosyntézy.

Za normálních okolností by přesné simulace vyžadovaly obrovské množství qubitů a tisíce operací, což by bylo nad možnosti současných kvantových počítačů. Vědci však zjednodušili model molekuly na základě konkrétních podmínek, jako je chování elektronů při nízkých energetických stavech.

Zdroj: Shutterstock

Tento zjednodušený model byl následně převeden na kvantový počítač, kde bylo možné simulovat pohyb elektronů a jejich vzájemné interakce. Klíčem k úspěchu byla možnost využití vícenásobných operací (tzv. multi-qubit gates), které jsou efektivnější než standardní operace se dvěma qubity.

Praktický dopad: Co to znamená pro vědu a průmysl?

Výsledky simulací přinesly přesné výpočty tzv. "spinového žebříku" molekuly Mn4O5Ca, což je seznam nejnižších energetických stavů elektronů. Tyto stavy definují, jaké vlnové délky světla může molekula absorbovat či emitovat, což je zásadní pro pochopení jejích chemických vlastností.

Přestože současné kvantové počítače ještě nejsou připraveny na zcela bezchybné provádění těchto simulací, nový algoritmus dramaticky snižuje požadavky na hardware. Jakmile se podaří snížit chybovost kvantových operací na přijatelnou úroveň, stane se tato metoda prakticky využitelnou.

Kvantové počítače: Nástroj budoucnosti

Tento výzkum ilustruje jedinečnost kvantových počítačů. Na rozdíl od klasických výpočetních systémů dokážou kvantové počítače simulovat kvantové systémy s nesrovnatelnou přesností. To otevírá nové možnosti nejen v chemii, ale i v dalších oblastech, jako je fyzika pevných látek, farmaceutický výzkum nebo vývoj nových materiálů.

Zároveň tento pokrok ukazuje, že vývoj kvantových počítačů není jen otázkou technického zdokonalování, ale také nalezení inovativních algoritmů. S každým dalším objevem se přibližujeme k době, kdy kvantové počítače přinesou reálné řešení problémů, které jsou dnes prakticky neřešitelné.