Δύο κβαντικοί υπολογιστές και δύο υπερυπολογιστές συνεργάστηκαν για να σπάσουν το ρεκόρ στην προσομοίωση του μεγαλύτερου μορίου που έχει υπολογιστεί μέχρι σήμερα με κβαντικό υλικό.
Τη μελέτη υπογράφει η Karmela Padavic-Callaghan.
Ένας κβαντικός υπολογιστής της IBM στην Cleveland Clinic, ένας από τους δύο που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση ενός μορίου-ρεκόρ.
Μία από τις πιο υποσχόμενες χρήσεις των κβαντικών υπολογιστών είναι η προσομοίωση πρωτεϊνών που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανακάλυψη νέων φαρμάκων. Ωστόσο, οι σημερινές συσκευές εξακολουθούν να είναι υπερβολικά επιρρεπείς σε σφάλματα για μια τέτοια αποστολή. Παρ’ όλα αυτά, δύο κβαντικοί υπολογιστές έσπασαν τώρα ένα ρεκόρ προσομοίωσης, προσδιορίζοντας τις ιδιότητες ενός μορίου με 12.635 άτομα, με τη βοήθεια υπερυπολογιστών.
Για να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά των φαρμακευτικών μορίων, χρειάζεται να προσδιορίσουμε τις κβαντικές καταστάσεις και τις ενέργειες των ηλεκτρονίων τους. Πρόκειται για ένα κβαντικό πρόβλημα, το οποίο συχνά μπορεί να λυθεί μόνο κατά προσέγγιση σε συμβατικούς υπολογιστές.
Μια συνεργασία ερευνητών από την Cleveland Clinic στο Οχάιο, την αμερικανική εταιρεία τεχνολογίας IBM και το ιαπωνικό επιστημονικό ίδρυμα RIKEN στράφηκε στους κβαντικούς υπολογιστές, οι οποίοι «μιλούν» εξ ορισμού τη γλώσσα της κβαντικής φυσικής. Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια υβριδική προσέγγιση που συνδυάζει κβαντικούς υπολογιστές και συμβατικούς υπερυπολογιστές και τη χρησιμοποίησαν για να προσομοιώσουν δύο μόρια σε πρωτοφανές μέγεθος, με το ένα να είναι περίπου 40 φορές μεγαλύτερο από το προηγούμενο μεγαλύτερο μόριο που είχε προσομοιωθεί με κβαντικό υπολογιστή.
«Ήταν ένα όνειρό μου και να που φτάσαμε ως εδώ», λέει ο Kenneth Merz, μέλος της ομάδας στην Cleveland Clinic.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο κβαντικούς υπολογιστές IBM Heron, έναν στο RIKEN και έναν στην Cleveland Clinic, καθώς και δύο υπερυπολογιστές, τους Fugaku και Miyabi-G, που συγκαταλέγονται στους ισχυρότερους στον κόσμο. Για τα μόρια, η ομάδα επέλεξε δύο συνδυασμούς μιας πρωτεΐνης και ενός μικρού μορίου, ή αλλιώς «συμπλέγματα πρωτεΐνης-λιγάνδης», τα οποία, όπως λέει ο Merz, είναι καλά μελετημένα και ιδιαίτερα δημοφιλή ως βασικά παραδείγματα στις βιοϊατρικές επιστήμες. Η ομάδα τα προσομοίωσε επίσης μέσα σε ένα στρώμα νερού, ώστε τα αποτελέσματα να προσεγγίζουν περισσότερο τον τρόπο με τον οποίο οι ερευνητές χειρίζονται τα μόρια στο εργαστήριο.
Οι κβαντικοί υπολογιστές σήμερα έχουν περιορισμένη χρησιμότητα, κυρίως λόγω του μικρού μεγέθους τους, που περιορίζει την υπολογιστική ισχύ, και της τάσης τους να κάνουν σφάλματα. Έτσι, η ομάδα μοίρασε την εργασία των μοριακών προσομοιώσεων ανάμεσα στα τέσσερα μηχανήματα, χρησιμοποιώντας τους κβαντικούς υπολογιστές μόνο για να υπολογίσουν συγκεκριμένες ιδιότητες ορισμένων τμημάτων των μορίων. Το αποτέλεσμα μεταφέρθηκε στη συνέχεια στους υπερυπολογιστές και ο συνολικός υπολογισμός εξελίχθηκε με διαδοχικές ανταλλαγές δεδομένων ανάμεσα στους δύο τύπους υπολογιστών για περισσότερες από 100 ώρες. Παρ’ όλα αυτά, η ομάδα θεωρεί ότι η διαδικασία ήταν ταχύτερη απ’ ό,τι θα ήταν χωρίς κβαντικό υλικό, λέει ο Jerry Chow της IBM. Οι προσομοιώσεις εκτίμησαν επίσης τις χαμηλότερες ενέργειες των μορίων με ακρίβεια ανταγωνιστική με ορισμένες πιο καθιερωμένες μεθόδους, αν και όχι ακόμη αναμφισβήτητα ανώτερη.
Ο Junyu Liu, από το Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ στην Πενσυλβάνια, λέει ότι η ομάδα προσφέρει κάτι που δύσκολα βρίσκει κανείς: πρακτικά βήματα προς χρήσιμους κβαντικούς υπολογισμούς με υλικό που χρησιμοποιείται ήδη. Προσθέτει επίσης ότι «το μέγεθος του πειράματος είναι πραγματικά εντυπωσιακό».
Το προσομοιωμένο μόριο είχε 12.635 άτομα.
Ο Liu σημειώνει επίσης ότι η νέα προσέγγιση πρέπει να ενθαρρυνθεί ως τρόπος να γίνουν οι κβαντικοί υπολογιστές χρήσιμοι ακόμη και πριν αποκτήσουν μηδενικά σφάλματα. Ωστόσο, παραμένει ανοιχτό το ερώτημα αν μπορεί να αποδειχθεί με αυστηρό μαθηματικό τρόπο ότι υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες η υβριδική μέθοδος θα εγγυάται πάντα καλύτερη απόδοση — το λεγόμενο quantum advantage, λέει.
Ο Chow σημειώνει πως, αν και η τρέχουσα δουλειά δείχνει ότι το κβαντικό υλικό μπορεί να είναι ανώτερο σε ορισμένα τμήματα του υπολογισμού, το νέο ρεκόρ προσομοίωσης είναι μόνο ένα πρώτο βήμα και όχι οριστικό. «Υπάρχει αυτή η δυναμική της συνεχούς πίεσης για να δοκιμάσουμε τα όρια του τι μπορεί να γίνει», λέει. «Για μένα, το συναρπαστικό είναι ότι μόλις τώρα ξεκινά».
