Výzkumníci společnosti Google Quantum AI dosáhli významného pokroku pomocí svého kvantového počítače Willow ke zlepšení interpretace dat nukleární magnetické rezonance (NMR). Tato široce používaná technika v chemii a biologii je zásadní pro pochopení molekulárních detailů a práce Google ukazuje, že kvantové počítače budou brzy schopny poskytnout v této oblasti cennou pomoc.
Proč je to důležité?
I když jsou kvantové počítače nejlépe známé pro svůj potenciál prolomit moderní kryptografii (ačkoli současná zařízení na to nejsou dostatečně výkonná), slibují také urychlení vývoje léků a vědy o materiálech. Tyto oblasti neodmyslitelně zahrnují složité kvantové jevy, díky čemuž se dobře hodí pro kvantové výpočty. Nejnovější ukázka společnosti Google zdůrazňuje, jak mohou kvantové počítače efektivně „mluvit stejným jazykem jako příroda“, což může způsobit revoluci v molekulární analýze.
Kvantová echa a NMR: nový přístup
Tým se zaměřil na výpočetní protokol s názvem Quantum Echoes, který je založen na konceptu podobném „motýlímu efektu“. Tento efekt popisuje, jak malá změna v jedné části systému může způsobit velké efekty jinde. Výzkumníci využili tento princip ve Willow a použili 103 qubitů k simulaci chování molekul.
Jak to funguje: modelování molekulárních poruch
Proces zahrnuje několik kroků:
- Manipulace s kvantovým stavem: Výzkumníci zpočátku aplikují na qubity specifickou sekvenci operací a řízeným způsobem mění jejich kvantové stavy.
- Řízená perturbace: Pak je jeden qubit záměrně narušen a chová se jako „kvantový motýl“.
- Reversation and Measurement: Původní sekvence operací je obrácena a výsledné kvantové vlastnosti qubitů jsou následně měřeny.
- Matematická analýza: Analýza těchto kvantových vlastností poskytuje informace o celém systému, včetně podrobností o struktuře molekuly.
Tento přístup odráží proces NMR používaný v laboratořích, který zahrnuje „pošťuchování“ molekul elektromagnetickými vlnami a analýzu reakcí za účelem stanovení relativních poloh atomů – v podstatě působí jako „molekulární pravítko“. Simulací tohoto procesu pomocí qubitů mohou výzkumníci potenciálně „vidět mezi atomy“, které jsou dále od sebe.
Výkon a potenciál
Tým odhaduje, že spuštění podobného protokolu na konvenčních superpočítačích by trvalo přibližně 13 000krát déle. Schopnost dosáhnout stejných výsledků na dvou různých kvantových počítačích navíc demonstruje spolehlivost a konzistenci protokolu Quantum Echoes. Toto zlepšení je z velké části způsobeno vylepšením hardwaru Willow, konkrétně nižší chybovostí qubitů.
Současná omezení a vyhlídky do budoucna
Navzdory slibným výsledkům je práce týmu stále nedokončená. Současné experimenty nepoužívají více než 15 qubitů a výsledky lze stále reprodukovat pomocí konvenčních metod. Výsledky navíc neprošly formálním procesem vzájemného hodnocení.
Odborníci se shodují, že využití Quantum Echoes má značný potenciál, i když jeho užitečnost je v současnosti omezena na specializovaný biologický výzkum. Vytvoření spojení mezi zavedenými technikami, jako je NMR a kvantové výpočty, je důležitým krokem vpřed. Pro další pokrok je však třeba řešit omezení a prokázat jasnou převahu nad stávajícími metodami.
Výzkumníci se zaměřují na snížení chybovosti qubitů a zvýšení počtu qubitů používaných v protokolu, což umožní analýzu stále větších a složitějších molekul. Cílem je nakonec učinit z této techniky cenný nástroj pro vědce v různých oblastech.
Otázka stanovení molekulární struktury je nesmírně důležitá a relevantní. Vytvoření spojení mezi zavedenými technikami, jako je NMR, a výpočty prováděnými na kvantovém počítači je důležitým krokem, ale v současnosti bude užitečnost této techniky pravděpodobně omezena na vysoce specializovaný výzkum v biologii. — Keith Fratus, HQS Quantum Simulations
Snaha o aplikace pro kvantové počítače pokračuje, a přestože jsou Quantum Echoes at Willow působivou experimentální demonstrací, jejich široké použití závisí na překonání současných omezení a nakonec na prokázání jejich převahy nad konvenčními metodami. Do té doby zůstává cenným nástrojem pro teoretické fyziky zapojené do základního studia kvantových systémů.
