Новый протокол квантовых вычислений может дополнить стандартную методику понимания молекул в химии, биомедицине и материаловедении.
Квантовый вычислительный чип Willow от Google Google Квантовый ИИ
Исследователи из Google Quantum AI использовали свой квантовый компьютер Willow для интерпретации данных спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), основополагающего метода исследований в области химии и биологии. Эта работа открывает квантовые компьютеры на пороге возможности эффективного дополнения традиционных молекулярных технологий.
Наиболее доказанное применение квантовых компьютеров — это взлом криптографии, но современные устройства слишком малы и подвержены ошибкам для запуска алгоритмов дешифрования. Однако ещё одна область, где они могли бы добиться успеха, — это ускорение процедур, используемых для открытия новых лекарств и материалов. Такие процедуры по своей природе квантовые, поэтому они хорошо соответствуют возможностям квантовых компьютеров. Хартмут Невен и его коллеги из Google Quantum AI продемонстрировали один пример того, как способность квантового компьютера «говорить на одном языке с природой» может оказаться ценной.
Реклама
Работа группы была сосредоточена на вычислительном протоколе под названием «Квантовое эхо» и способах его применения к ЯМР, который используется для определения микроскопических деталей структуры молекулы.
Идея, лежащая в основе квантового эха, похожа на эффект бабочки — явление, при котором небольшое возмущение вызывает значительные последствия в более крупной системе, к которой оно принадлежит, например, взмах крыльев бабочки, приводящий к далёкой буре. Исследователи использовали квантовую версию этого эффекта в системе, состоящей из 103 кубитов, в Willow.
В ходе экспериментов исследователи сначала применили к кубитам определённую последовательность операций, которая управляемым образом изменяла их квантовые состояния. Затем они выбрали один конкретный кубит для возмущения, который действовал как «квантовая бабочка», после чего применили ту же последовательность операций, что и раньше, но в обратном порядке, подобно перемотке видеокассеты. Наконец, команда измерила квантовые свойства кубитов, которые затем проанализировала, чтобы получить информацию о всей системе.
В простейшем смысле процедура ЯМР, используемая в лабораториях, также основана на мельчайших возмущениях: на этот раз реальные молекулы подвергаются воздействию электромагнитных волн, а затем анализируется реакция системы для определения относительного положения атомов, подобно молекулярной линейке . Когда манипуляции с кубитами имитируют этот процесс, математический анализ кубитов также может быть преобразован в детали структуры молекулы. Этот шаг квантовых вычислений, возможно, позволит нам видеть расстояние между атомами, которые находятся дальше друг от друга, говорит член команды Том О’Брайен. «Мы создаем более длинную молекулярную линейку».
Команда подсчитала, что запуск протокола, похожего на квантовое эхо, на обычном суперкомпьютере займёт примерно в 13 000 раз больше времени. Тестирование также показало, что два разных квантовых компьютера могут запускать квантовое эхо и получать одинаковые результаты, чего нельзя сказать о некоторых квантовых алгоритмах, которые команда продвигала ранее. О’Брайен говорит, что это стало возможным отчасти благодаря быстрому улучшению качества аппаратного обеспечения Willow, например, снижению частоты ошибок кубитов.
Но ещё многое предстоит сделать. Когда исследователи использовали Willow и квантовое эхо для двух органических молекул, они использовали всего до 15 кубитов одновременно, и результат расчёта всё ещё можно было сравнить с результатами традиционных, неквантовых методов. Другими словами, команде ещё предстоит доказать, что Willow имеет однозначное практическое преимущество перед своими классическими аналогами. Демонстрация данного конкретного применения квантового эха в настоящее время является предварительной и не прошла формального рецензирования.
«Вопрос определения молекулярной структуры чрезвычайно важен и актуален», — говорит Кит Фратус из HQS Quantum Simulations, немецкой компании, разрабатывающей квантовые алгоритмы. Он отмечает, что установление связи между таким устоявшимся методом, как ЯМР, и вычислениями на квантовом компьютере — важный шаг, но пока применение этого метода, вероятно, будет ограничено узкоспециализированными исследованиями в области биологии.
Драйс Селс из Нью-Йоркского университета говорит, что эксперимент команды использует более крупный квантовый компьютер и рассматривает более сложные протоколы ЯМР и молекулы, чем те, которые были смоделированы на квантовых компьютерах ранее, в том числе им и его коллегами. «Квантовое моделирование часто называют одним из ключевых перспективных вариантов использования квантовых компьютеров, но примеров, представляющих промышленный интерес, поразительно мало… Я думаю, что вывод моделей на основе спектроскопических данных, таких как ЯМР, может оказаться полезным», — говорит он. «Не думаю, что мы уже достигли этой цели, но подобные работы мотивируют продолжать изучение этой проблемы».
О'Брайен говорит, что применение квантового эха к ЯМР станет более полезным по мере того, как команда будет продолжать повышать производительность своих кубитов. Чем меньше ошибок они допускают, тем больше их можно будет использовать в протоколе одновременно, что позволяет учитывать всё более крупные молекулы.
Между тем, поиск наилучших применений квантовых компьютеров, безусловно, далек от завершения. Экспериментальный запуск квантового эха на Willow весьма впечатляет, но математический анализ, который он позволяет проводить, вряд ли найдет широкое применение, считает Курт фон Кейзерлингк из Королевского колледжа Лондона. Он отмечает, что пока протокол не сможет окончательно превзойти то, чем занимаются специалисты по ЯМР уже несколько десятилетий, он будет привлекателен в первую очередь для физиков-теоретиков, занимающихся фундаментальными исследованиями квантовых систем. И этот протокол, возможно, не полностью соответствует требованиям завтрашнего дня — фон Кейзерлингк говорит, что у него уже есть идеи о том, как традиционные вычисления могли бы с ним конкурировать.
Природа DOI: 10.1038/s41586-025-09526-6
Источник: www.newscientist.com
