IBM и Lockheed впервые просчитали молекулу, с которой не справлялись суперкомпьютеры — и сделали шаг к новой квантовой химии

Исследователи из IBM и Lockheed Martin впервые успешно применили гибридную методику, объединяющую классические суперкомпьютеры и квантовые процессоры , чтобы точно смоделировать электронную структуру нестабильной молекулы метилена — так называемой «открытой оболочки», которую долгое время не удавалось адекватно описать средствами традиционной вычислительной химии. Впервые в истории была реализована техника выборочной квантовой диагонализации (SQD) для работы с такими сложными системами.

Квантовые вычисления открывают перед наукой новые горизонты, обещая скорости, недостижимые даже для самых мощных суперкомпьютеров. Особенно важна эта технология в квантовой химии — области, где от точного понимания взаимодействий между молекулами зависит разработка новых материалов, катализаторов и промышленных процессов. Однако химические системы с сильной электронной корреляцией, особенно «открытые оболочки», традиционно остаются крайне трудными для моделирования. Такие молекулы содержат неспаренные электроны, обладают высокой реактивностью и могут проявлять магнитные свойства. Их описание требует гораздо более сложных математических моделей, чем для «закрытых» молекул, где электроны распределены по парам.

Метилен (CH₂), несмотря на свою простую формулу из трёх атомов, оказался идеальным объектом для демонстрации новых возможностей. Его основное состояние — триплет, в котором два неспаренных электрона имеют параллельные спины, — энергетически ниже, чем синтетически более «упорядоченное» синглетное состояние, где электроны противоположны по спину. Это делает молекулу особенно интересной для изучения: разница между этими уровнями энергии позволяет предсказывать её поведение в химических реакциях, включая процессы, важные для аэрокосмической отрасли и сгорания топлива.

Команда использовала инфраструктуру квантово-центричного суперкомпьютинга IBM, чтобы объединить традиционные вычисления с квантовыми. С помощью метода SQD исследователи вычислили энергию синглетного и триплетного состояний метилена, оценили их стабильность и энергетические переходы. Результаты доказывают, что уже сегодня квантовые вычисления способны решать задачи , неподъёмные даже для самых мощных классических систем, и открывают путь к новому поколению вычислительной химии .