Een samenwerkend team van onderzoekers heeft een belangrijke mijlpaal bereikt in de computationele chemie: het simuleren van de eigenschappen van een molecuul dat 12.635 atomen bevat. Deze doorbraak werd niet bereikt door een op zichzelf staande kwantumcomputer, maar door een hybride aanpak die gebruik maakt van de unieke sterke punten van zowel kwantumprocessors als conventionele supercomputers.
Deze ontwikkeling markeert een cruciale stap in de richting van het gebruik van quantum computing voor de ontdekking van geneesmiddelen. Hoewel kwantumcomputers theoretisch ideaal zijn voor het modelleren van de complexe kwantumtoestanden van elektronen in eiwitten, missen ze momenteel de stabiliteit en schaalgrootte om dergelijke taken alleen uit te voeren. Door middelen te combineren heeft het team aangetoond dat praktische vooruitgang mogelijk is, zelfs met de huidige imperfecte hardware.
De hybride aanpak voor het oplossen van kwantumproblemen
Het simuleren van medicijnmoleculen vereist het berekenen van de precieze kwantumtoestanden en energieën van hun elektronen. Op klassieke computers zijn deze berekeningen vaak benaderingen die worstelen met complexiteit. Kwantumcomputers, die werken volgens de principes van de kwantummechanica, zijn uiteraard geschikt voor dit werk. De huidige kwantumapparaten zijn echter klein en gevoelig voor fouten, waardoor hun zelfstandige bruikbaarheid wordt beperkt.
Om deze beperkingen te overwinnen, ontwikkelden onderzoekers van de Cleveland Clinic, IBM en het Japanse instituut RIKEN een hybride workflow. Ze verdeelden de rekenlast tussen twee IBM Heron-kwantumcomputers en twee van de krachtigste supercomputers ter wereld, Fugaku en Miyabi-G.
Het proces omvatte een geavanceerde heen-en-weer-uitwisseling:
* Kwantumcomputers: Verzorgden specifieke, complexe berekeningen voor fragmenten van het molecuul.
* Supercomputers: Verwerkte de bredere structurele gegevens en integreerde de resultaten.
Deze gezamenlijke inspanning duurde meer dan 100 uur en resulteerde in een simulatie van twee ‘eiwit-ligandcomplexen’: combinaties van een eiwit en een klein molecuul die fundamenteel zijn voor biomedisch onderzoek. Het team simuleerde ook de moleculen in een laag water, waardoor een laag realisme werd toegevoegd die de laboratoriumomstandigheden weerspiegelt.
Waarom dit belangrijk is: de kloof overbruggen naar praktisch gebruik
Het in dit onderzoek gesimuleerde molecuul is ongeveer 40 keer groter dan de vorige recordhouder voor kwantumondersteunde simulaties. Hoewel de nauwkeurigheid van de resultaten concurreerde met standaardmethoden en niet onmiskenbaar superieur was, ligt de prestatie in de haalbaarheid ervan.
“Dit is een droom van mij geweest, en hier zijn we dan”, zegt Kenneth Merz van de Cleveland Clinic, reflecterend op het al lang gekoesterde doel om kwantumtechnologie te gebruiken voor biomedische inzichten.
Jerry Chow van IBM merkte op dat het hybride proces waarschijnlijk sneller was dan wanneer alleen supercomputers zouden zijn gebruikt, wat suggereert dat kwantumhardware al waarde biedt voor specifieke delen van de berekening. Dit daagt het idee uit dat we moeten wachten op perfecte, foutloze kwantumcomputers voordat we praktische voordelen zien.
Expertperspectief: vooruitgang te midden van onzekerheid
De wetenschappelijke gemeenschap beschouwt dit werk als een belangrijke, zij het voorlopige, stap. Junyu Liu van de Universiteit van Pittsburgh prees het team voor het aanbieden van “praktische stappen naar bruikbare kwantumberekeningen met behulp van hardware die daadwerkelijk in gebruik is.” Hij omschreef de omvang van het experiment als ‘werkelijk indrukwekkend’.
Liu benadrukte echter ook een open vraag: of het wiskundig bewezen kan worden dat deze hybride methode in alle gevallen superieure prestaties garandeert, bekend als kwantumvoordeel. Voorlopig dient de aanpak als een brug, waardoor kwantumcomputers bruikbaar worden voordat ze volledig foutbestendig zijn.
Zoals Chow benadrukte, is deze plaat geen definitief eindpunt, maar een begin. Het vakgebied bevindt zich momenteel in een fase waarin de grenzen van wat mogelijk is worden verlegd, met waarschijnlijk meer opwindende ontwikkelingen in het verschiet.
Conclusie
Deze hybride simulatie laat zien dat kwantumcomputers in combinatie met klassieke supercomputers al kunnen bijdragen aan complexe wetenschappelijke problemen. Hoewel volledig kwantumvoordeel een toekomstig doel blijft, bewijst deze doorbraak dat praktische, grootschalige moleculaire simulaties vandaag de dag binnen handbereik liggen.
