研究者らは、従来のスーパーコンピュータを用いて、窒素固定に欠かせない分子FeMocoの基底状態エネルギーを計算し、長らく量子コンピュータのみが可能とされてきた精度を実現した。この画期的な成果は、このような化学シミュレーションにおける量子優位性の主張に挑戦する。この発見は、より効率的な肥料のための窒素固定の理解と再現に向けた取り組みを加速させる可能性がある。
窒素固定とは、大気中の窒素を利用可能なアンモニアに変換する微生物のプロセスであり、地球上の生命に不可欠である。その核心にFeMocoと呼ばれる複雑な分子があり、その正確な仕組みは依然として謎に包まれている。FeMocoを理解することで、工業規模での再現が可能になり、肥料生産のエネルギーコストを大幅に削減し、作物の収量を潜在的に増加させることができる。 nnFeMocoの基底状態エネルギーの計算は、多くの電子が複数の軌道にわたって量子波様のパターンで振る舞うため、極めて困難であった。量子コンピュータは近似なしの厳密解が可能であることが数学的に証明されている一方、古典的手法は精度の低い推定に頼っていた。 nn現在、カリフォルニア工科大学のGarnet Kin-Lic Chan氏率いるチームは、信頼できる化学予測に必要な「化学精度」に匹敵する古典的手法を開発した。FeMocoの高エネルギー量子状態の特性（例：電子対称性）を解析し、基底状態エネルギーの上限を計算して精密な値に外挿した。彼らの手法は、スーパーコンピュータ上で1分未満でタスクを完了するとされ、理想条件下の量子デバイスでは推定8時間かかるとされるのに比べて格段に速い。 nnしかし、この進展は窒素固定におけるFeMocoの役割を完全に解明したわけではない。どの分子部分が窒素と相互作用し、プロセス中にどのような中間体が形成されるかについての疑問が残る。 nnコロンビア大学のDavid Reichmann氏は、「この研究はFeMoco系の機能について多くを教えてくれないが、量子優位性を示すモデルとしては、量子アプローチのハードルをさらに高くする」と指摘した。 nnマッコーリー大学のDominic Berry氏は、「これはこのような問題に量子コンピュータを使う主張に挑戦するが、より複雑な系では古典的手法の計算時間が量子アルゴリズムよりもはるかに速く増加すると予想される」と付け加えた。Berry氏は、今後登場する耐障害性量子コンピュータがこうした分子に対してより広範な解決策を提供できる可能性を強調した。 nnこの研究はarXivのプレプリントとして公開されている（DOI: 10.48550/arXiv.2601.04621）。