Forscher von Google Quantum AI haben einen bedeutenden Schritt nach vorne gemacht und ihren Willow-Quantencomputer genutzt, um die Interpretation von Kernspinresonanzdaten (NMR) zu verbessern. Diese in der Chemie und Biologie weit verbreitete Technik ist für das Verständnis molekularer Details von entscheidender Bedeutung, und die Arbeit von Google legt nahe, dass Quantencomputer bald wertvolle Hilfe auf diesem Gebiet leisten könnten.
Warum das wichtig ist
Während Quantencomputer vor allem für ihr Potenzial bekannt sind, die moderne Kryptographie zu durchbrechen – obwohl aktuelle Geräte dafür nicht leistungsstark genug sind –, bieten sie auch vielversprechende Möglichkeiten für die Beschleunigung der Arzneimittelforschung und der Materialwissenschaft. Diese Felder beinhalten von Natur aus komplexe Quantenphänomene und eignen sich daher gut für die Quantenberechnung. Die neueste Demonstration von Google zeigt, wie Quantencomputer effektiv „die gleiche Sprache wie die Natur sprechen“ können und möglicherweise die molekulare Analyse revolutionieren.
Quantenechos und NMR: Ein neuartiger Ansatz
Das Team konzentrierte sich auf ein Rechenprotokoll namens Quantum Echoes, das auf einem Konzept aufbaut, das dem „Schmetterlingseffekt“ ähnelt. Dieser Effekt beschreibt, wie eine kleine Änderung in einem Teil eines Systems große Folgen an anderer Stelle auslösen kann. Forscher nutzten dieses Prinzip innerhalb von Willow und nutzten 103 Qubits, um molekulares Verhalten zu simulieren.
Wie es funktioniert: Simulation molekularer Störungen
Der Prozess umfasst eine Reihe von Schritten:
- Quantenzustandsmanipulation: Forscher wenden zunächst eine bestimmte Abfolge von Operationen auf die Qubits an und verändern so deren Quantenzustände auf kontrollierte Weise.
- Kontrollierte Störung: Ein einzelnes Qubit wird dann absichtlich gestört und fungiert als „Quantenschmetterling“.
- Umkehrung und Messung: Die ursprüngliche Abfolge von Operationen wird in umgekehrter Reihenfolge angewendet und die resultierenden Quanteneigenschaften der Qubits werden gemessen.
- Mathematische Analyse: Die Analyse dieser Quanteneigenschaften liefert Einblicke in das gesamte System, einschließlich Details über die Struktur des Moleküls.
Dieser Ansatz spiegelt den in Laboren verwendeten NMR-Prozess wider, bei dem Moleküle mit elektromagnetischen Wellen angestoßen und die Reaktionen analysiert werden, um die relativen Positionen von Atomen zu bestimmen – und im Wesentlichen als „molekulares Lineal“ zu fungieren. Durch die Nachahmung dieses Prozesses mit Qubits können Forscher möglicherweise „zwischen Atomen sehen“, die weiter voneinander entfernt sind.
Leistung und Potenzial
Das Team schätzt, dass die Ausführung eines ähnlichen Protokolls auf einem herkömmlichen Supercomputer etwa 13.000 Mal länger dauern würde. Darüber hinaus zeigt die Fähigkeit, auf zwei verschiedenen Quantencomputern die gleichen Ergebnisse zu erzielen, die Zuverlässigkeit und Konsistenz des Quantum Echoes-Protokolls. Diese Verbesserung ist größtenteils auf Verbesserungen der Willow-Hardware zurückzuführen, insbesondere auf eine Reduzierung der Qubit-Fehlerraten.
Aktuelle Einschränkungen und Zukunftsaussichten
Die Arbeit des Teams ist zwar vielversprechend, aber noch vorläufig. Aktuelle Experimente nutzen nur bis zu 15 Qubits und die Ergebnisse können immer noch mit herkömmlichen Methoden reproduziert werden. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse keinem formellen Peer-Review-Prozess unterzogen.
Experten sind sich einig, dass diese Anwendung von Quantenechos vielversprechend ist, obwohl ihr Nutzen derzeit auf spezielle biologische Studien beschränkt ist. Die Schaffung einer Verbindung zwischen etablierten Techniken wie NMR und Quantenberechnungen ist ein wichtiger Schritt nach vorne. Für weitere Fortschritte ist es jedoch erforderlich, Einschränkungen zu beseitigen und einen klaren Vorteil gegenüber bestehenden Methoden aufzuzeigen.
Die Forscher konzentrieren sich auf die Reduzierung der Qubit-Fehlerraten und die Erhöhung der Anzahl der im Protokoll verwendeten Qubits, um die Analyse immer größerer und komplexerer Moleküle zu ermöglichen. Das ultimative Ziel besteht darin, diese Technik zu einem wertvollen Werkzeug für Wissenschaftler in verschiedenen Bereichen zu machen.
Die Frage der Molekülstrukturbestimmung ist äußerst wichtig und relevant. Die Herstellung einer Verbindung zwischen einer etablierten Technik wie NMR und Berechnungen, die auf einem Quantencomputer durchgeführt werden, ist ein wichtiger Schritt, aber vorerst wäre der Nutzen der Technik wahrscheinlich auf hochspezialisierte Studien in der Biologie beschränkt. — Keith Fratus, HQS Quantum Simulations
Das Streben nach Quantencomputeranwendungen geht weiter, und während „Quantum Echoes on Willow“ eine beeindruckende experimentelle Demonstration ist, hängt sein breiter Einsatz von der Überwindung aktueller Einschränkungen und letztendlich dem Nachweis seiner Überlegenheit gegenüber herkömmlichen Methoden ab. Bis dahin bleibt es ein wertvolles Werkzeug für Physiktheoretiker, die sich mit der grundlegenden Untersuchung von Quantensystemen befassen.
