Le calcul classique atteint une précision chimique dans la simulation de la nitrogenase

Des recherches récentes ont démontré que les méthodes de calcul classique peuvent désormais modéliser l'énergie de l'état fondamental électronique du cofacteur FeMo dans la nitrogenase avec une précision chimique, une tâche auparavant considérée comme inaccessibile pour les ordinateurs classiques.

Le cofacteur FeMo, situé au site actif de la nitrogenase, est connu pour sa structure complexe impliquant de nombreux électrons non appariés et des métaux de transition. Cette complexité en a longtemps fait une cible difficile pour les approches de simulation classique.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont appliqué une méthode classique à un modèle de 76 orbitales/152 qubits du FeMo-co. Leur approche a produit des limites supérieures rigoureuses ou empiriques pour l'énergie de l'état fondamental, maintenant une erreur d'environ 1 kilocalorie par mole, ce qui respecte le seuil de précision chimique.

Des travaux théoriques antérieurs avaient suggéré que seuls les ordinateurs quantiques pouvaient relever les défis de simulation posés par le site actif de la nitrogenase. Ces études proposaient que des dispositifs quantiques seraient nécessaires pour analyser des mécanismes de réaction que les ordinateurs classiques ne pouvaient pas traiter.

Ce que les chiffres montrent

• La simulation classique a utilisé un modèle de 76 orbitales/152 qubits
• Une précision chimique a été atteinte dans ~1 kcal/mol
• Les estimations précédentes pour la simulation quantique nécessitaient jusqu'à un million de qubits

Des recherches antérieures estimaient que simuler le site actif de la nitrogenase nécessiterait entre des centaines de milliers et un million de qubits sur un ordinateur quantique. Cela plaçait le problème hors de portée tant pour le matériel classique que pour le matériel quantique à court terme jusqu'à présent.

La complexité du cofacteur FeMo a été une barrière de longue date en chimie computationnelle. Sa combinaison de métaux de transition et de plusieurs électrons non appariés a contribué à la croyance que seuls les ordinateurs quantiques pouvaient fournir des résultats précis pour sa structure électronique.

Le récent résultat de calcul classique remet en question les hypothèses antérieures sur les limitations des méthodes classiques dans la modélisation de systèmes moléculaires hautement complexes. L'approche des chercheurs a démontré qu'une précision chimique est réalisable pour le FeMo-co sans recourir à du matériel quantique.

Des propositions antérieures dans la littérature scientifique avaient souligné le potentiel des ordinateurs quantiques pour simuler les mécanismes de réaction de la nitrogenase. Cependant, les nouvelles découvertes indiquent que le calcul classique peut désormais relever certains de ces défis dans les seuils de précision établis.

* Cet article est basé sur des informations publiquement disponibles au moment de la rédaction.