Квантовые компьютеры смоделировали самую большую на сегодня молекулу

Одно из самых многообещающих применений квантовых компьютеров — моделирование белков, которое может помочь в поиске новых лекарств. Однако для таких расчетов современные квантовые устройства пока слишком подвержены ошибкам. Тем не менее, два квантовых компьютера при поддержке суперкомпьютеров установили новый рекорд — они рассчитали свойства молекулы из 12 635 атомов.

Чтобы определить, каким будет проведение потенциальных лекарственных молекул, необходимо вычислить квантовые состояния и энергии их электронов. Это квантовая задача, которую на обычных компьютерах чаще всего удается решить лишь приближенно.

Для квантовых же компьютеров такие расчеты — родная стихия. Поэтому ученые из Кливлендской клиники, корпорации IBM и японского научно-исследовательского  института RIKEN объединили вычисления квантовые с традиционными, и с помощью такого гибридного подхода смоделировали свойства двух беспрецедентно больших молекул. Результаты опубликованы в виде препринта на arXiv.

Обе — белок-лигандные комплексы. Такие пары «белок + небольшая молекула» хорошо изучены и служат классическими примерами в биомедицинских науках, объясняет профессор Кеннет Мерц, возглавляющий в Кливлендской клинике лабораторию вычислительной медицины.

Одна из них примерно в 40 раз крупнее предыдущего рекорда среди молекул, смоделированных на квантовом компьютере.

«Это была моя давняя мечта — и вот она сбылась», — признается Мерц.

В расчетах были задействованы два квантовых компьютера IBM Heron (один работает в RIKEN, другой — в клинике), а также два суперкомпьютера — Fugaku и Miyabi‑G, входящих в число самых мощных в мире. Нагрузку распределили так: квантовые компьютеры моделировали только отдельные свойства некоторых фрагментов молекул; полученные результаты передавались суперкомпьютерам, и весь вычислительный процесс представлял собой непрерывный обмен данными между двумя типами машин на протяжении более 100 часов.

Такой подход оказался быстрее, чем работа без квантового «железа», подчеркивает Джерри Чоу из IBM. Кроме того, расчеты дали оценки минимальной энергии молекул с точностью, сопоставимой с некоторыми более привычными методами, хотя пока не превосходящей их.

Авторы предложили то, чего действительно не хватало: реальные практические шаги к полезным квантовым вычислениям на уже существующем оборудовании, считает квантовый физик Дзюнью Лю из Питтсбургского университета. «Масштаб эксперимента на самом деле впечатляет», — добавляет он.

Лю в положительном ключе оценивает гибридный подход, хотя это, по его мнению, ставит вопрос: можно ли строго математически доказать квантовое преимущество такого «симбиоза»?

В каких-то частях расчета гибридный метод продемонстрировал превосходство, но новый рекорд — это только первый шаг, а не попытка доказательства, отвечает Чоу. «Сейчас происходит мощное движение — просто расширение границ возможного. Для меня самое захватывающее в том, что это только начало», — заключил он.