Я стою перед квантовым компьютером, собранным из атомов и света, в Национальном центре квантовых вычислений Великобритании, расположенном на окраине Оксфорда. На лабораторном столе сложная матрица зеркал и линз окружает ячейку размером с кубик Рубика, в которой 100 атомов цезия подвешены в виде сетки под действием тщательно управляемого лазерного луча.
Установка с атомами цезия настолько компактна, что я мог бы поднять её, вынести из лаборатории и положить на заднее сиденье машины, чтобы отвезти домой. Хотя далеко я бы, наверное, не уехал. Она маленькая, но мощная — и поэтому очень ценная. Компания Infleqtion из Колорадо, владеющая ею, надеется, что возможности этой машины принесут ей 5 миллионов долларов на следующей неделе на мероприятии в Марина-дель-Рей, Калифорния.
Infleqtion — одна из шести команд, вышедших в финал 30-месячного конкурса по квантовым вычислениям под названием Quantum for Bio (Q4Bio). Этот конкурс, проводимый некоммерческой организацией Wellcome Leap, призван показать, что современные квантовые компьютеры, несмотря на свою сложность, склонность к ошибкам и далеки от масштабных машин, которые надеются создать инженеры, могут принести пользу здоровью человека. Успех стал бы значительным шагом вперед в доказательстве ценности квантовых компьютеров. Но пока, как оказалось, эта ценность, по-видимому, связана с использованием и улучшением производительности обычных (также называемых классическими) компьютеров в тандеме, создавая квантово-классический гибрид, способный превзойти возможности классических машин по отдельности.
Связанная статья
Существует две призовые категории. Приз в размере 2 миллионов долларов достанется любой команде, которая сможет запустить полезный алгоритм в сфере здравоохранения на компьютерах с 50 или более кубитами (кубит — это базовая вычислительная единица в квантовом компьютере). Чтобы выиграть главный приз в размере 5 миллионов долларов, команда должна успешно запустить квантовый алгоритм, решающий важную реальную задачу в здравоохранении, и при этом работа должна использовать 100 или более кубитов. Победители должны соответствовать строгим критериям производительности и решить задачу в сфере здравоохранения, которую невозможно решить с помощью обычных компьютеров — задача непростая.
Несмотря на масштаб задачи, большинство команд считают, что часть этих денег может достаться им. «Думаю, у нас есть хорошие шансы», — говорит Джонатан Д. Хирст, специалист по вычислительной химии из Ноттингемского университета (Великобритания). «Мы полностью соответствуем критериям для получения приза в 2 миллиона долларов», — говорит Грант Ротскофф из Стэнфордского университета, чья команда занимается исследованием квантовых свойств молекулы АТФ, которая питает биологические клетки.
Гран-при, пожалуй, не является гарантированным результатом. «Это действительно находится на самой грани осуществимости», — говорит Ротскофф. Источники, близкие к проекту, говорят, что задача настолько сложна, учитывая состояние технологий квантовых вычислений, что большая часть денег может остаться на счету Wellcome Leap.
Поскольку большая часть работы Q4Bio не опубликована и защищена соглашениями о неразглашении, а в области квантовых вычислений уже полно заявлений и опровержений относительно производительности и достижений, только судьи смогут решить, кто прав.
Гибридное решение
Идея квантовых компьютеров заключается в том, что они могут использовать маломасштабные объекты, подчиняющиеся законам квантовой механики, такие как атомы и фотоны света, для моделирования реальных процессов, слишком сложных для моделирования на наших обычных классических машинах.
Исследователи десятилетиями работают над созданием таких систем, которые могли бы дать ценные сведения для разработки новых материалов, фармацевтических препаратов и совершенствования химических процессов, таких как производство удобрений. Но работа с квантовыми явлениями, такими как атомы, чрезвычайно сложна. Для самых масштабных и сложных применений требуются огромные, мощные машины, способные выдерживать «шум» окружающей среды, который может очень легко нарушить работу хрупких квантовых систем. У нас таких машин пока нет — и неясно, когда они появятся.
Фонд Wellcome Leap хотел выяснить, можно ли использовать имеющиеся у нас сегодня небольшие машины для чего-либо полезного в здравоохранении, пока мы ждем эры мощных крупномасштабных квантовых компьютеров. Группа запустила конкурс в 2024 году, предложив каждой из 12 отобранных команд финансирование в размере 1,5 миллиона долларов.
Шесть финалистов Q4Bio использовали различные подходы. Что особенно важно, все они придумали оригинальные способы преодоления недостатков квантовых вычислений. Столкнувшись с шумными и ограниченными вычислительными мощностями, они научились передавать большую часть вычислительной нагрузки классическим процессорам, работающим с недавно разработанными алгоритмами, которые во многих случаях превосходят предыдущие достижения в этой области. Квантовые процессоры затем требуются только для тех частей задачи, где классические методы недостаточно масштабируемы по мере увеличения объема вычислений.
Например, группа исследователей под руководством Сергея Стрельчука из Оксфордского университета использует квантовый компьютер для картирования генетического разнообразия среди людей и патогенов на сложных графовых структурах. Исследователи надеются, что это позволит выявить скрытые связи и потенциальные пути лечения. «Можно рассматривать это как платформу для решения сложных задач в вычислительной геномике», — говорит Стрельчук.
Соответствующие классические инструменты с трудом справляются даже с небольшим масштабированием до больших баз данных. Команда Стрельчука разработала автоматизированный конвейер, который позволяет определить, будут ли классические решатели испытывать трудности с конкретной задачей, и как квантовый алгоритм может обработать данные таким образом, чтобы они стали решаемыми на классическом компьютере или обрабатываемыми на зашумленном квантовом компьютере. «Все это можно сделать до того, как начать тратить деньги на вычисления», — говорит Стрельчук.
Связанная статья
В будущем чипы для искусственного интеллекта могут быть созданы на основе стекла. Читайте далее.
В сотрудничестве с Кливлендской клиникой хельсинкская компания Algorithmiq использовала сверхпроводящий квантовый компьютер, созданный IBM, для моделирования противоракового препарата, действие которого активируется определенными типами света. «Идея заключается в том, что вы принимаете препарат, и он находится повсюду в вашем теле, но ничего не делает, просто находится там, пока на него не попадет свет определенной длины волны», — говорит Гильермо Гарсия-Перес, главный научный сотрудник Algorithmiq. Затем он действует как молекулярная пуля, атакуя опухоль только в том месте тела, куда направлен этот свет.
Препарат, с которого Algorithmiq начала свою работу, уже находится на второй фазе клинических испытаний для лечения рака мочевого пузыря. Квантово-вычисленное моделирование, адаптирующее и улучшающее классические алгоритмы, позволит перепроектировать его для лечения других заболеваний. «Он оставался нишевым методом лечения именно потому, что его нельзя смоделировать классическим способом», — говорит Сабрина Манискалько, генеральный директор и соучредитель Algorithmiq.
Манискалько, который также уверен, что получит призовые деньги на конкурсе, считает, что методы, использованные для создания алгоритма, найдут широкое применение: «То, что мы сделали в рамках программы Q4Bio, — это нечто уникальное, что может изменить подход к моделированию химических процессов в здравоохранении и биологических науках».
Разработанная компанией Infleqtion технология, работающая на цезиевом генераторе, направлена на улучшение идентификации признаков рака в медицинских данных. Вместе с коллегами из Чикагского университета и Массачусетского технологического института ученые компании разработали квантовый алгоритм, способный обрабатывать огромные массивы данных, такие как Атлас генома рака.
Цель состоит в том, чтобы выявить закономерности, которые позволят врачам определить такие факторы, как вероятное происхождение метастазированного рака у пациента. «Очень важно знать, откуда он взялся, потому что это может помочь выбрать оптимальное лечение», — говорит Тиг Томеш, инженер-программист в области квантовых вычислений и руководитель проекта Q4Bio в компании Infleqtion.
К сожалению, эти закономерности скрыты в настолько больших массивах данных, что они не справляются с задачами, решаемыми классическими методами. Infleqtion использует квантовый компьютер для поиска корреляций в данных, что позволяет уменьшить объем вычислений. «Затем мы передаем упрощенную задачу обратно классическому решателю», — говорит Тиг. «По сути, я пытаюсь использовать лучшие из своих квантовых и классических ресурсов».
Тем временем команда из Ноттингема использует квантовые вычисления для разработки лекарственного препарата, способного вылечить миотоническую дистрофию, наиболее распространенную форму мышечной дистрофии с началом во взрослом возрасте. Один из членов команды, Дэвид Брук, сыграл важную роль в идентификации гена, вызывающего это заболевание, в 1992 году. Спустя более 30 лет Брук, Хирст и другие члены их группы, в которую входит компания QuEra из Бостона, разрабатывающая квантовый компьютер на основе нейтральных атомов, с помощью квантовых вычислений разработали способ, позволяющий лекарственным препаратам образовывать химические связи с белком, вызывающим заболевание, блокируя механизм, вызывающий проблему.
Измеренные ожидания
Уверенность участников может быть высока, но у Шихана Саджида она гораздо ниже. Саджид, предприниматель в области квантовых вычислений из Ватерлоо, Онтарио, является программным директором Q4Bio. Он считает, что подверженные ошибкам квантовые машины, с которыми приходится работать исследователям, вряд ли смогут выполнить все критерии для получения главного приза. «Очень сложно достичь чего-то с помощью шумного квантового компьютера, чего не может сделать классическая машина», — говорит он.
Тем не менее, он был удивлен достигнутым прогрессом. «Когда мы начинали программу, люди не знали ни о каких областях применения, где квантовые технологии могли бы оказать существенное влияние на биологию», — говорит он. Но команды нашли многообещающие области применения, добавляет он: «Теперь мы знаем, в каких областях квантовые технологии могут иметь значение».
Саджид считает, что разработки в области «гибридной квантово-классической» обработки данных, которые используют новые игроки рынка, носят «трансформационный» характер.
Будет ли этого достаточно, чтобы заставить его расстаться с деньгами Wellcome Leap? Это зависит от жюри, личности членов которого держатся в строжайшей тайне, чтобы никто не подстраивал свою презентацию под какой-либо конкретный подход. Но мы узнаем результат нескоро; победитель или победители будут объявлены в середине апреля.
Если окажется, что победителей нет, Саджид утешит участников. Цель всегда заключалась в запуске полезного алгоритма на существующей сегодня машине, отмечает он; промах не означает, что ваш алгоритм не будет полезен на будущем квантовом компьютере. «Это просто означает, что нужной вам машины еще не существует».
Источник: www.technologyreview.com
