Новости

Квантовый компьютер смоделировал рекордно большую молекулу, пробуждая надежды на открытие новых лекарств в будущем

Квантовый компьютер смоделировал рекордно большую молекулу, пробуждая надежды на открытие новых лекарств в будущем

Среди всех существующих молекул гидрид бериллия далеко не самый массивный – всего два атома водорода, прикрепленных к одному атому бериллия. Но на данный момент он чемпион-тяжеловес: это самая большая молекула, когда-либо смоделированная на квантовом компьютере.

Эта новая технология может решить проблемы, ставящие обычные компьютеры в тупик. Перспектива ее развития, хотя и все еще в области возможностей обычных компьютеров, может стать трамплином для нового мощного способа открытия лекарств и материалов.

«Я думаю, что это очень, очень перспективно», – говорит Марко Де Виво (Marco De Vivo), химик-теоретик из Итальянского технологического института в Генуе, который изучает взаимодействие фармацевтических препаратов с белками. «Они расширяют границы того, что сегодня означает вычислительная техника».

Физики и химики повседневно используют компьютеры для имитации поведения атомов и молекул. Такие симуляции требуют огромных компьютерных мощностей, потому что взаимодействия между тремя или более частицами быстро становятся невероятно сложными. Кроме того, электроны внутри молекул подчиняются странным законам квантовой механики (теории очень малого). Это значит, что, например, невозможно одновременно зафиксировать и положение, и скорость электрона, что затрудняет расчет распределения этих электронов внутри молекулы. Даже сегодня самые мощные суперкомпьютеры могут моделировать молекулы с несколькими сотнями атомов максимум.

Но ученые уверены, что квантовые компьютеры находятся на пути к опережению своих классических «собратьев». Еще в 1981 году физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман предсказал, что компьютеры, основанные на квантовой механике, смогут точно моделировать большие молекулы. В то время как обычный компьютер использует биты, которые могут иметь значение 0 или 1, квантовый компьютер использует кубиты, которые могут иметь значение 0, 1 или 0 и 1 одновременно. Эти кубиты можно соединить и создать мощный квантовый процессор, который теоретически должен уметь моделировать молекулу гораздо эффективнее обычного компьютера. Многие ученые считают, что открытие новых лекарств и материалов станет первым революционным применением квантовых компьютеров, которые очень интенсивно развивают в университетах и компаниях по всему миру.

Однако современные квантовые компьютеры сильно ограничены чувствительностью своих кубитов, чьи тонкие квантовые состояния 0-1 могут быть нарушены колебаниями температуры или случайными электрическими или магнитными полями. Чем больше кубитов связано друг с другом, тем легче их растревожить. В прошлом году исследователи в лаборатории квантовых вычислений Google в Калифорнийской Венеции использовали три кубита для расчета распределения электронов с наименьшим количеством энергии в самой простой молекуле – молекулярном водороде.

Исследователи IBM в области квантовых вычислений подняли планку для всех. Ученые использовали шесть кубитов из специализированных металлов, называемых сверхпроводниками, которые могут одновременно проводить разные уровни напряжения, для анализа молекул водорода, гидрида лития и гидрида бериллия (BeH2). Сначала они ввели расположение электронов каждой молекулы в квантовый компьютер. Затем использовали специальный алгоритм для перевода имитируемой молекулы в более низкие энергетические состояния, которые они измерили и кодировали на обычном компьютере. Они повторяли этот процесс до тех пор, пока квантовый компьютер не нашел наинизшее энергетическое состояние молекулы (ее основное состояние), что является важным шагом во многих направлениях применения химии.

Quantum Technology Conference: Kvantovyiy kompyuter smodeliroval rekordno bolshuyu molekulu, probuzhdaya nadezhdyi na otkryitie novyih lekarstv v buduschem 1

Используя этот итеративный алгоритм, квантовый компьютер IBM успешно вычислил энергию основного состояния всех трех молекул, установив мировой рекорд по квантовому моделированию, сообщает команда в Nature.

Исследователи отмечают, что из-за ошибок, которые неизбежно проникают в квантовые вычисления, результаты не абсолютно точные. Но демонстрация могла помочь химикам лучше понять уже известные молекулы и открыть новые, говорит Джерри Чоу (Jerry Chow), физик в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк, который возглавляет исследования IBM в области квантовых вычислений.

«Мы хотим сделать квантовые вычисления чем-то, что может выходить за пределы просто физики».

Достижение «представляет собой четкий прогресс в направлении невероятно важной цели», прогнозирования свойств новых молекул, пишет в электронном письме Райан Баббуш (Ryan Babbush), исследователь, который возглавлял симуляцию водорода Google.

Однако для практических целей BeH2 остается крошечной молекулой. Новые фармацевтические составы, например, обычно содержат от 50 до 80 атомов. А клеточные белки, с которыми взаимодействуют такие лекарства (их ученые тоже должны смоделировать, чтобы понять, как работает потенциальный препарат), могут содержать тысячи атомов, говорит Де Виво.

«От того, что они [делают], к тому, что может реально повлиять на мою работу, лежит очень долгий путь, – утверждает он. – Это как в первый день, когда мы видим летящий самолет, захотеть отправиться на Луну».

 

Узнать больше на Quantum Technology Conference ►►►