Tým výzkumníků dosáhl významného milníku ve výpočetní chemii: úspěšně modeloval vlastnosti molekuly sestávající z 12 635 atomů. Tohoto průlomu nebylo dosaženo pomocí jediného kvantového počítače, ale prostřednictvím hybridního přístupu, který využívá jedinečné výhody jak kvantových procesorů, tak tradičních superpočítačů.
Tento vývoj představuje kritický krok směrem k využití kvantových počítačů pro vývoj léků. Zatímco kvantové počítače jsou teoreticky ideální pro simulaci komplexních kvantových stavů elektronů v proteinech, v současnosti jim chybí stabilita a měřítko, aby takové problémy samy vyřešily. Sloučením zdrojů tým ukázal, že praktický pokrok je možný i s dnešním nedokonalým vybavením.
Hybridní přístup k řešení kvantových problémů
Modelování molekul léčiv vyžaduje přesné výpočty kvantových stavů a jejich elektronových energií. Na klasických počítačích jsou tyto výpočty často přibližné a špatně se vyrovnávají se složitostí problémů. Pro tento druh práce se přirozeně hodí kvantové počítače, které fungují na principech kvantové mechaniky. Současná kvantová zařízení jsou však malá a náchylná k chybám, což omezuje jejich samostatnou užitečnost.
K překonání těchto omezení vyvinuli výzkumníci z Cleveland Clinic, IBM a japonského institutu RIKEN hybridní pracovní postup. Rozdělili výpočetní zátěž mezi dva kvantové počítače IBM Heron a dva z nejvýkonnějších superpočítačů na světě – Fugaku a Miyabi-G.
Proces zahrnoval komplexní výměnu dat:
* Kvantové počítače: Prováděly specifické komplexní výpočty na molekulárních fragmentech.
* Superpočítače: Zpracovány širší strukturální data a integrované výsledky.
Toto společné úsilí trvalo více než 100 hodin a výsledkem bylo modelování struktury dvou „komplexů protein-ligand“ – kombinací proteinu a malé molekuly, které jsou zásadní pro biomedicínský výzkum. Tým také simuloval molekuly ve vodní vrstvě a přidal úroveň realismu, která odráží laboratorní podmínky.
Proč na tom záleží: Překlenutí propasti praktickými aplikacemi
Molekula simulovaná v této studii je přibližně 40krát větší než předchozí držitel rekordu pro kvantově podporované simulace. Přestože přesnost výsledků byla srovnatelná se standardními metodami a nebyla jednoznačně lepší, úspěch spočívá v jejich proveditelnosti.
„Byl to můj sen a jsme tady,“ řekl Kenneth Mertz z Cleveland Clinic, když se zamyslel nad dlouhodobým cílem využívat kvantové technologie k získávání biomedicínských dat.
Jerry Chou z IBM poznamenal, že hybridní proces byl pravděpodobně rychlejší, než kdyby byly použity pouze superpočítače, což naznačuje, že kvantový hardware již poskytuje hodnotu pro konkrétní části výpočtu. To zpochybňuje myšlenku, že musíme počkat na dokonalé kvantové počítače bez chyb, než uvidíme praktické využití.
Expertní pohled: Pokrok uprostřed nejistoty
Vědecká komunita považuje tuto práci za významný, byť počáteční krok. Junyu Liu z University of Pittsburgh pochválil tým za to, že nabízí „praktické kroky směrem k užitečné kvantové práci s využitím hardwaru, který se skutečně používá“. Rozsah experimentu označil za „opravdu působivé“.
Liu však také zdůraznil otevřenou otázku: zda lze matematicky prokázat, že tato hybridní metoda zaručuje vynikající výkon – známý jako kvantová výhoda – ve všech případech. Prozatím tento přístup slouží jako most, díky kterému jsou kvantové počítače užitečné, než se stanou zcela odolnými vůči chybám.
Jak Chow zdůraznil, tato deska není konečným bodem, ale začátkem. Obor je ve fázi posouvání hranic možného a pravděpodobně přijde ještě vzrušující vývoj.
Závěr
Tato hybridní simulace ukazuje, že kvantové počítače již mohou přispívat k řešení složitých vědeckých problémů v kombinaci s klasickými superpočítači. Zatímco plná kvantová výhoda zůstává budoucím cílem, tento průlom dokazuje, že praktické rozsáhlé molekulární simulace jsou dnes na dosah.
