Zespół badaczy osiągnął kamień milowy w chemii obliczeniowej: pomyślnie modelował właściwości cząsteczki składającej się z 12 635 atomów. Tego przełomu dokonano nie dzięki pojedynczemu komputerowi kwantowemu, ale dzięki podejściu hybrydowemu, które wykorzystuje unikalne zalety zarówno procesorów kwantowych, jak i tradycyjnych superkomputerów.
Odkrycie to stanowi kluczowy krok w kierunku wykorzystania obliczeń kwantowych do opracowywania leków. Chociaż komputery kwantowe teoretycznie idealnie nadają się do symulowania złożonych stanów kwantowych elektronów w białkach, obecnie brakuje im stabilności i skali, aby samodzielnie rozwiązywać takie problemy. Łącząc zasoby, zespół wykazał, że praktyczny postęp jest możliwy nawet przy dzisiejszym niedoskonałym sprzęcie.
Hybrydowe podejście do rozwiązywania problemów kwantowych
Modelowanie cząsteczek leków wymaga precyzyjnych obliczeń stanów kwantowych i ich energii elektronów. Na klasycznych komputerach obliczenia te są często przybliżone i nie radzą sobie dobrze ze złożonością problemów. Do tego rodzaju prac w naturalny sposób nadają się komputery kwantowe, które działają w oparciu o zasady mechaniki kwantowej. Jednak obecne urządzenia kwantowe są małe i podatne na błędy, co ogranicza ich samodzielną użyteczność.
Aby pokonać te ograniczenia, badacze z Cleveland Clinic, IBM i japońskiego Instytutu RIKEN opracowali hybrydowy przepływ pracy. Rozdzielili obciążenie obliczeniowe pomiędzy dwa komputery kwantowe IBM Heron i dwa z najpotężniejszych superkomputerów na świecie – Fugaku i Miyabi-G.
Proces obejmował kompleksową wymianę danych:
* Komputery kwantowe: Wykonywały określone, złożone obliczenia na fragmentach molekularnych.
* Superkomputery: Przetworzono szersze dane strukturalne i zintegrowane wyniki.
Ten wspólny wysiłek trwał ponad 100 godzin, a jego efektem było modelowanie struktury dwóch „kompleksów białko-ligand” — kombinacji białka i małej cząsteczki, które mają fundamentalne znaczenie w badaniach biomedycznych. Zespół przeprowadził także symulację cząsteczek w warstwie wody, dodając poziom realizmu odzwierciedlający warunki laboratoryjne.
Dlaczego to ma znaczenie: wypełnianie luki dzięki praktycznym zastosowaniom
Cząsteczka symulowana w tym badaniu jest około 40 razy większa niż poprzedni rekordzista w symulacjach wspomaganych kwantowo. Chociaż dokładność wyników była porównywalna z metodami standardowymi i nie wyraźnie lepsza, osiągnięcie polega na wykonalności.
„To było moje marzenie i oto je zrealizowałem” – powiedział Kenneth Mertz z Cleveland Clinic, zastanawiając się nad długoterminowym celem, jakim jest wykorzystanie technologii kwantowych do uzyskiwania danych biomedycznych.
Jerry Chou z IBM zauważył, że proces hybrydowy był prawdopodobnie szybszy niż w przypadku wykorzystania wyłącznie superkomputerów, co sugeruje, że sprzęt kwantowy już zapewnia wartość w określonych częściach obliczeń. Podważa to pogląd, że musimy poczekać na doskonałe, wolne od błędów komputery kwantowe, zanim zobaczymy ich praktyczne zastosowanie.
Opinia eksperta: postęp wśród niepewności
Społeczność naukowa postrzega tę pracę jako znaczący, choć początkowy krok. Junyu Liu z Uniwersytetu w Pittsburghu pochwalił zespół za zaproponowanie „praktycznych kroków w kierunku użytecznych obliczeń kwantowych przy użyciu faktycznie używanego sprzętu”. Skalę eksperymentu nazwał „naprawdę imponującą”.
Liu podkreślił jednak również otwartą kwestię: czy można matematycznie udowodnić, że ta metoda hybrydowa gwarantuje doskonałą wydajność – znaną jako przewaga kwantowa – we wszystkich przypadkach. Na razie podejście to służy jako pomost, dzięki któremu komputery kwantowe staną się przydatne, zanim staną się całkowicie odporne na błędy.
Jak podkreślił Chow, ta płyta nie jest punktem końcowym, ale początkiem. Ta dziedzina znajduje się w fazie przesuwania granic tego, co jest możliwe, i prawdopodobnie nadejdą bardziej ekscytujące osiągnięcia.
Wniosek
Ta hybrydowa symulacja pokazuje, że komputery kwantowe mogą już przyczynić się do rozwiązywania złożonych problemów naukowych w połączeniu z klasycznymi superkomputerami. Chociaż osiągnięcie pełnej przewagi kwantowej pozostaje celem na przyszłość, ten przełom dowodzi, że praktyczne symulacje molekularne na dużą skalę są dziś w zasięgu ręki.
