Группа исследователей достигла важной вехи в вычислительной химии: успешно смоделировала свойства молекулы, состоящей из 12 635 атомов. Этот прорыв был осуществлен не за счет отдельного квантового компьютера, а благодаря гибридному подходу, который задействует уникальные преимущества как квантовых процессоров, так и традиционных суперкомпьютеров.
Данное развитие событий становится критическим шагом на пути к использованию квантовых вычислений для разработки лекарств. Хотя квантовые компьютеры теоретически идеально подходят для моделирования сложных квантовых состояний электронов в белках, на данный момент они не обладают достаточной стабильностью и масштабом для решения таких задач самостоятельно. Объединив ресурсы, команда продемонстрировала, что практический прогресс возможен даже с использованием сегодняшнего несовершенного оборудования.
Гибридный подход к решению квантовых задач
Моделирование молекул лекарственных препаратов требует точного расчета квантовых состояний и энергий их электронов. На классических компьютерах эти расчеты часто являются приблизительными и плохо справляются со сложностью задач. Квантовые компьютеры, работающие на принципах квантовой механики, естественным образом приспособлены для такой работы. Однако современные квантовые устройства малы и склонны к ошибкам, что ограничивает их самостоятельную полезность.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи из Кливлендской клиники, IBM и японского института RIKEN разработали гибридный рабочий процесс. Они распределили вычислительную нагрузку между двумя квантовыми компьютерами IBM Heron и двумя из самых мощных суперкомпьютеров в мире — Fugaku и Miyabi-G.
Процесс включал сложный обмен данными:
* Квантовые компьютеры: Выполняли специфические сложные расчеты для фрагментов молекулы.
* Суперкомпьютеры: Обрабатывали более широкие структурные данные и интегрировали результаты.
Это совместное усилие продолжалось более 100 часов, в результате чего была смоделирована структура двух «белково-лигандных комплексов» — комбинаций белка и малой молекулы, которые являются фундаментальными для биомедицинских исследований. Команда также смоделировала молекулы в слое воды, добавив уровень реализма, который отражает лабораторные условия.
Почему это важно: Сближение разрыва с практическим применением
Молекула, смоделированная в этом исследовании, примерно в 40 раз больше предыдущего рекордсмена среди квантово-ассистированных симуляций. Хотя точность результатов была сопоставима со стандартными методами, а не однозначной превосходной, достижение заключается в его осуществимости.
«Это была моя мечта, и вот мы здесь», — сказал Кеннет Мерц из Кливлендской клиники, размышляя о давно поставленной цели использования квантовых технологий для получения биомедицинских данных.
Джерри Чоу из IBM отметил, что гибридный процесс, вероятно, был быстрее, чем если бы использовались только суперкомпьютеры, предполагая, что квантовое оборудование уже предоставляет ценность для конкретных частей расчета. Это бросает вызов представлению о том, что мы должны ждать идеальных, свободных от ошибок квантовых компьютеров, прежде чем увидим практическую пользу.
Экспертная точка зрения: Прогресс amidst неопределенности
Научное сообщество рассматривает эту работу как значительный, albeit первоначальный, шаг. Джунью Лю из Университета Питтсбурга похвалил команду за предложение «практических шагов к полезным квантовым вычислениям с использованием оборудования, которое фактически используется». Он назвал масштаб эксперимента «действительно впечатляющим».
Однако Лю также подчеркнул открытый вопрос: может ли этот гибридный метод быть математически доказан как гарантирующий превосходную производительность — известную как квантовое преимущество — во всех случаях. На данный момент подход служит мостом, делая квантовые компьютеры полезными, прежде чем они станут полностью защищенными от ошибок.
Как подчеркнул Чоу, этот рекорд не является окончательной точкой, а началом. Область находится в фазе продвижения границ возможного, и, вероятно, впереди более захватывающие разработки.
Заключение
Эта гибридная симуляция демонстрирует, что квантовые компьютеры уже могут вносить вклад в решение сложных научных задач при сочетании с классическими суперкомпьютерами. Хотя полное квантовое преимущество остается будущей целью, этот прорыв доказывает, что практические крупномасштабные молекулярные симуляции находятся в пределах досягаемости сегодня.
