Гоогле каже да његов квантни рачунар може открити структуру молекула

Истраживачи из Гоогле Куантум АИ су користили свој квантни рачунар Виллов да би помогли у тумачењу података из спектроскопије нуклеарне магнетне резонанце (НМР), главног ослонца истраживања хемије и биологије. Рад ставља квантне рачунаре на ивицу могућности да корисно повећају уобичајене молекуларне технологије.

Најригорозније доказане употребе квантних рачунара су у разбијању криптографије, али данашњи уређаји су премали и склони грешкама да би покренули алгоритме за дешифровање. Међутим, друго место где би могли да направе искорак јесте убрзавање процедура које се користе за откривање нових лекова и материјала. Такве процедуре су по својој природи квантне, тако да добро одговарају могућностима квантних рачунара. Хартмут Невен и његове колеге из Гоогле Куантум АИ сада су показали један пример где би се способност квантног рачунара да „говори истим језиком као природа“ могла показати вредном.

Рад тима се фокусирао на рачунарски протокол под називом Куантум Ецхоес и начине на које се може применити на НМР, који се користи за одређивање микроскопских детаља структуре молекула.

Идеја у сржи квантних одјека слична је ефекту лептира – феномену где мали поремећај изазива велику последицу у већем систему коме припада, као што је махање лептировим крилима што доводи до далеке олује. Истраживачи су користили квантну верзију овога у систему направљеном од 103 кубита унутар Виллов-а.

У експериментима, истраживачи су прво применили специфичну секвенцу операција на своје кубите, што је променило квантна стања кубита на контролисан начин. Затим су одабрали један специфичан кубит који би узнемиравао, који би деловао као „квантни лептир“, пре него што су применили исти низ операција као раније, али обрнути у времену, попут премотавања видео траке. Коначно, тим је измерио квантна својства кубита, које су анализирали да би сазнали информације о целом систему.

У најједноставнијем смислу, НМР процедура која се користи у лабораторијама такође се ослања на ситне пертурбације, овог пута гурајући стварне молекуле електромагнетним таласима, затим анализирајући како систем реагује да одреди релативне положаје атома, попут молекуларног лењира. Када манипулације кубитима опонашају овај процес, математичка анализа кубита се такође може превести у детаље структуре молекула. Тњегов корак у квантном рачунарству има шансу да нам омогући да видимо између атома који су удаљенији један од другог, каже члан тима Том О’Брајен. „Градимо дужи молекуларни лењир.“

Тим процењује да би покретање протокола сличног Куантум Ецхоес-у на конвенционалном суперкомпјутеру трајало око 13.000 пута дуже. Њихово тестирање је такође показало да два различита квантна рачунара могу да покрећу Куантум Ецхоес и да произведу исте резултате, што није био случај за неке од квантних алгоритама које је тим заступао у прошлости. О’Бриен каже да је то могуће делимично због брзих побољшања квалитета Виллов-овог хардвера, као што је смањење стопе грешака у кубитима.

Али још увек има побољшања. Када су истраживачи користили Виллов и Куантум Ецхоес за два органска молекула, користили су само до 15 кубита у исто време и резултат прорачуна је и даље могао да се упореди са конвенционалним, не-квантним методама. Другим речима, тим тек треба да докаже да Виллов има недвосмислену практичну предност у односу на своје класичне колеге. Демонстрација ове специфичне примене Куантум Ецхоес-а је тренутно прелиминарна и није прошла формални процес рецензије.

„Питање одређивања молекуларне структуре је изузетно важно и релевантно“, каже Кеитх Фратус из ХКС Куантум Симулатионс, компаније са седиштем у Немачкој која развија квантне алгоритме. Он каже да је стварање везе између успостављене технике као што је НМР и прорачуна изведених на квантном рачунару важан корак, али би за сада корисност технике вероватно била ограничена на високо специјализоване студије из биологије.

Дриес Селс са Универзитета у Њујорку каже да експеримент тима користи већи квантни рачунар и узима у обзир сложеније НМР протоколе и молекуле него што су раније били моделовани на квантним рачунарима, укључујући њега и његове колеге. „Квантна симулација се често наводи као један од кључних могућих случајева употребе квантних рачунара, али има изузетно мало примера индустријски интересантних случајева… Мислим да би се закључивање модела о спектроскопским подацима, као што је НМР, могло показати корисним“, каже он. „Мислим да још нисмо тамо, али овакви радови пружају мотивацију да наставимо да проучавамо проблем.

О’Бриен каже да ће примена квантних одјека на НМР постати кориснија јер тим наставља да унапређује перформансе својих кубита. Што мање грешака праве, више их се може користити за протокол одједном, узимајући у обзир све веће и веће молекуле.

У међувремену, потрага за најбољом употребом квантних рачунара сигурно је далеко од краја. Покретање квантних одјека на Виллов је експериментално изузетно импресивно, али је мало вероватно да ће математичка анализа коју она омогућава наћи широку примену, каже Цурт вон Кеисерлингк са Кинг’с Цоллеге Лондон. Он каже да ће његова главна привлачност бити за теоретичаре физике који се фокусирају на фундаменталне студије квантних система све док дефинитивно не надмаши оно што су стручњаци за НМР већ радили деценијама. А протокол можда неће бити у потпуности доказ будућности – фон Кејзерлингк каже да већ има идеје о томе како би конвенционално рачунарство могло да се такмичи са њим.