Google twierdzi, że jego komputer kwantowy może ujawnić strukturę molekuł

Badacze z Google Quantum AI wykorzystali swoją kwantową komputer Willow, aby pomóc w interpretacji danych z spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR), podstawy badań chemicznych i biologicznych. Praca ta zbliża komputery kwantowe do możliwości użytecznego uzupełniania powszechnie stosowanych technologii molekularnych.

Najbardziej skuteczne użycie komputerów kwantowych dotyczy łamania kryptografii, jednak dzisiejsze urządzenia są zbyt małe i podatne na błędy, aby uruchamiać algorytmy deszyfrujące. Jednakże, tam gdzie mogą zrobić postęp, to przy przyspieszaniu procedur stosowanych do odkrywania nowych leków i materiałów. Takie procedury mają swoją naturę kwantową, co sprawia, że doskonale pasują do możliwości komputerów kwantowych. Hartmut Neven i jego koledzy z Google Quantum AI, zademonstrowali przykład, gdzie zdolność komputera kwantowego do „mówienia tym samym językiem co natura” może okazać się wartościowa.

Praca zespołu skupiła się na protokole obliczeniowym o nazwie Echa Kwantowego oraz sposobach, w jakie może on być zastosowany w NMR, które jest używane do określenia szczegółów mikroskopowych struktury molekuły.

Podstawą Echa Kwantowego jest zjawisko podobne do efektu motyla – zjawisko, gdzie małe zakłócenie powoduje duże konsekwencje w większym systemie, do którego należy, takie jak trzepotanie skrzydeł motyla powodujące burzę w oddali. Badacze wykorzystali kwantową wersję tego w systemie składającym się z 103 kubitów w Willow.

W eksperymentach badacze najpierw zastosowali określoną sekwencję operacji do swoich kubitów, zmieniając stan kwantowy kubitów w kontrolowany sposób. Następnie wybrali jeden konkretny kubit do zakłócenia, który działałby jak „kwantowy motyl”, przed zastosowaniem tej samej sekwencji operacji, ale odwróconej w czasie, jak przewijając taśmę wideo. W końcu zespół zmierzył właściwości kwantowe kubitów, które analizowali, aby dowiedzieć się informacji o całym systemie.

W najprostszej formie procedura NMR stosowana w laboratoriach również opiera się na drobnych zakłóceniach, tym razem lekko przesuwając rzeczywiste molekuły za pomocą fal elektromagnetycznych, a następnie analizując, w jaki sposób system reaguje, aby określić względne położenie atomów, jak wskaźnik molekularny. Gdy manipulacje kubitów emulują ten proces, matematyczna analiza kubitów może być przetłumaczona na szczegóły struktury molekuły. Ten krok komputerów kwantowych daje możliwość zobaczenia atomów, które są daleko od siebie, mówi członek zespołu Tom O’Brien. „Budujemy dłuższy wskaźnik molekularny.”

Zespół szacuje, że uruchomienie protokołu podobnego do Echa Kwantowego na konwencjonalnym superkomputerze zajęłoby około 13 000 razy dłużej. Ich testy pokazały również, że dwa różne komputery kwantowe mogły uruchomić Echa Kwantowego i uzyskać te same wyniki, co nie miało miejsca w przypadku niektórych algorytmów kwantowych, które zespół popierał w przeszłości. O’Brien mówi, że jest to możliwe m.in. dzięki szybkim ulepszeniom sprzętu Willow, takim jak zmniejszenie błędów kubitów.

Jednak istnieją nadal ulepszenia do zrobienia. Kiedy badacze użyli Willowa i Echa Kwantowego dla dwóch organicznych molekuł, korzystali tylko z maksymalnie 15 kubitów jednocześnie, a wynik obliczeń mógł nadal być dopasowany przez standardowe, niekwantowe metody. Inaczej mówiąc, zespół jeszcze nie udowodnił, że Willow ma niejednoznaczną praktyczną przewagę nad klasycznymi odpowiednikami. Przedstawiona demonstracja tej konkretnej aplikacji Echa Kwantowego jest obecnie wstępna i nie przeszła jeszcze formalnego procesu recenzji przez rówieśników.

„Kwestia określenia struktury molekularnej jest niezwykle ważna i istotna,” mówi Keith Fratus z HQS Quantum Simulations, firmy z siedzibą w Niemczech zajmującej się rozwojem algorytmów kwantowych. Twierdzi, że stworzenie połączenia między ustaloną techniką, jak NMR, a obliczeniami wykonywanymi na komputerze kwantowym jest ważnym krokiem, ale na razie, użyteczność techniki prawdopodobnie będzie ograniczona do wysoko specjalistycznych badań w dziedzinie biologii.

Dries Sels z Uniwersytetu Nowojorskiego, mówi, że eksperyment zespołu wykorzystuje większy komputer kwantowy i rozważa bardziej złożone protokoły NMR i molekuły, niż modelowane na komputerach kwantowych wcześniej, nawet przez niego i jego kolegów. „Symulacja kwantowa jest często cytuowana jako jedno z kluczowych potencjalnych zastosowań komputerów kwantowych, ale istnieje niewiele przykładów przemysłowo interesujących przypadków… Uważam, że wnioskowanie modelowe na danych spektroskopijnych, jak NMR, może się okazać użyteczne,” mówi. „Nie sądzę, abyśmy już tam byli, ale prace takie jak ta dostarczają motywacji do dalszego badania problemu.”

O’Brien twierdzi, że zastosowanie Echa Kwantowego do NMR stanie się bardziej użyteczne, gdy zespół będzie nadal podnosił wydajność swoich kubitów. Im mniej popełniają błędów, tym więcej z nich można użyć do protokołu naraz, co przyciąga do rozważań coraz większe molekuły.

Tymczasem, badania nad najlepszymi zastosowaniami dla komputerów kwantowych są z pewnością dalekie od końca. Uruchomienie Echa Kwantowego na Willow jest eksperymentalnie niezwykle imponujące, ale analiza matematyczna, którą umożliwia, jest mało prawdopodobne, aby znalazła szerokie zastosowanie, mówi Curt von Keyserlingk z King’s College London. Twierdzi, że dopóki nie będzie definitywnie przebiła tego, co specjaliści NMR robili przez dziesięciolecia, jej głównym atutem będzie dla fizyków teoretyków, którzy skupiają się na podstawowych badaniach układów kwantowych. Protokół może nie być w pełni przyszłościowy – von Keyserlingk twierdzi, że ma już pomysły, jak klasyczne obliczenia mogą konkurować z nim.