Forskare har använt konventionella superdatorer för att beräkna grundtillståndsenergin för FeMoco, en avgörande molekyl i kvävefixering, med den precision som länge ansågs vara exklusiv för kvantdatorer. Detta genombrott utmanar påståenden om kvantfördel för sådana kemiska simuleringar. Upptäckten kan påskynda insatser för att förstå och replikera kvävefixering för effektivare gödningsmedel.
Kvävefixering, processen genom vilken mikrober omvandlar atmosfäriskt kväve till användbar ammoniak, är essentiell för livet på jorden. I dess kärna ligger FeMoco, en komplex molekyl vars exakta funktioner förblir undanglidande. Att förstå FeMoco skulle kunna möjliggöra industriell replikering, vilket kraftigt minskar energikostnaderna för gödselproduktion och potentiellt ökar skördeutbyten. nnAtt beräkna FeMocos grundtillståndsenergi har varit ökändt svårt på grund av dess många elektroner som beter sig i kvantvågliknande mönster över flera orbitaler. Medan kvantdatorer matematiskt bevisats kapabla till exakta lösningar utan approximationer har klassiska metoder halkat efter och förlitar sig på mindre exakta uppskattningar. nnNu har ett team ledd av Garnet Kin-Lic Chan vid California Institute of Technology utvecklat en klassisk metod som matchar 'kemisk noggrannhet' – precisionen som krävs för pålitliga kemiska förutsägelser. Genom att analysera egenskaper hos FeMocos högre energikvanttillstånd, såsom elektroniska symmetrier, beräknade forskarna övre gränser för grundtillståndsenergin och extrapolerade till ett precist värde. Deras metod slutför uppgiften på under en minut på en superdator, jämfört med uppskattade åtta timmar på en kvantdator under idealiska förhållanden. nnDock löser framsteg inte fullt ut FeMocos roll i kvävefixering. Frågor kvarstår om vilka molekylära delar som interagerar med kväve och vilka intermediärer som bildas under processen. nnDavid Reichmann vid Columbia University noterade: «Arbetet berättar inte mycket om FeMoco-systemet i termer av dess funktion, men som modell för att visa kvantfördel höjer det ribban ännu högre för kvantmetoder.» nnDominic Berry vid Macquarie University tillade: «Detta utmanar argumentet för att använda kvantdatorer för sådana problem, men för mer komplicerade system förväntas beräkningstiden för klassiska metoder öka mycket snabbare än för kvantalgoritmer.» Berry betonade att kommande fel-tolerant kvantdatorer fortfarande kan erbjuda bredare lösningar för sådana molekyler. nnForskningen publiceras som preprint på arXiv (DOI: 10.48550/arXiv.2601.04621).