Квантовые суперкомпьютеры впервые точно смоделировали межмолекулярные взаимодействия

Активные пространства, использованные в работе: a (16e,12o) димера воды, b (16e,16o) димера метана, c (16e,24o) димера метана. Автор: Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02305-9

Команда под руководством Кеннета Мерца, доктора философии из Кливлендской клиники, и Антонио Меццакапо, доктора философии из IBM, разрабатывает методы квантовых вычислений для моделирования и изучения супрамолекулярных процессов, которые определяют, как целые молекулы взаимодействуют друг с другом.

В своем исследовании, опубликованном в Communications Physics, исследователи сосредоточились на нековалентных взаимодействиях молекул, особенно водородных связях и гидрофобных взаимодействиях. Эти взаимодействия, которые включают силы притяжения и отталкивания между молекулами или частями одной молекулы, играют важную роль в сворачивании белков, сборке мембран и клеточной сигнализации.

Нековалентные молекулярные взаимодействия включают неисчислимое количество возможных исходов. Квантовые компьютеры с их огромной вычислительной мощностью могут легко выполнять эти расчеты, но традиционные методы квантовых вычислений могут уступать в точности классическим компьютерам.

Чтобы преодолеть эти барьеры, исследователи используют новую вычислительную парадигму под названием «квантово-центричные суперкомпьютеры», которая позволяет квантовым компьютерам работать в тандеме с классическими высокопроизводительными вычислениями.

«Пока квантовые компьютеры не имеют коррекции ошибок, нам необходимо создавать модели, которые могут сочетать лучшее из обоих вычислительных методов», — говорит доктор Мерц. — «Гибридные модели, которые мы разрабатываем, могут значительно сократить время и стоимость вычислений, одновременно преодолевая проблемы, которые были научными узкими местами».

Исследователи использовали квантово-центричные суперкомпьютеры для моделирования двух супрамолекулярных систем: димера воды (две молекулы воды, взаимодействующие через водородные связи) и димера метана (две молекулы метана, взаимодействующие через гидрофобные силы).

Сначала квантовая система IBM Quantum System One генерировала образцы различных возможных молекулярных поведений для каждой из систем. Затем классический компьютер обрабатывал эти образцы для вывода молекулярных энергий. Используя этот метод, команда смогла создать химически точные симуляции обеих систем.

«Это первый случай, когда квантовые компьютеры точно смоделировали супрамолекулярные взаимодействия», — говорит доктор Мерц. — «Это открывает новые возможности для изучения более сложных молекулярных взаимодействий, что может значительно продвинуть наше понимание этих процессов и привести к разработке более эффективных методов лечения и лекарств».

Больше информации: Danil Kaliakin et al, Accurate quantum-centric simulations of intermolecular interactions, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02305-9

Источник: Cleveland Clinic