Onderzoekers van Google Quantum AI hebben een aanzienlijke stap voorwaarts gezet door hun Willow-kwantumcomputer in te zetten om de interpretatie van Nuclear Magnetic Resonance (NMR)-gegevens te verbeteren. Deze veelgebruikte techniek in de scheikunde en biologie is cruciaal voor het begrijpen van moleculaire details, en het werk van Google suggereert dat kwantumcomputers binnenkort waardevolle hulp op dit gebied kunnen bieden.
Waarom dit belangrijk is
Hoewel kwantumcomputers vooral bekend staan om hun potentieel om de moderne cryptografie te doorbreken – hoewel de huidige apparaten daar niet krachtig genoeg voor zijn – bieden ze ook veelbelovende mogelijkheden voor het versnellen van de ontdekking van geneesmiddelen en de materiaalwetenschap. Bij deze velden zijn inherent complexe kwantumfenomenen betrokken, waardoor ze zeer geschikt zijn voor kwantumberekeningen. De nieuwste demonstratie van Google benadrukt hoe kwantumcomputers effectief ‘dezelfde taal kunnen spreken als de natuur’, wat een revolutie teweeg kan brengen in de moleculaire analyse.
Kwantum-echo’s en NMR: een nieuwe aanpak
Het team concentreerde zich op een computationeel protocol genaamd Quantum Echoes, dat voortbouwt op een concept dat lijkt op het ‘vlindereffect’. Dit effect beschrijft hoe een kleine verandering in een deel van een systeem grote gevolgen elders kan veroorzaken. Onderzoekers gebruikten dit principe binnen Willow, waarbij ze 103 qubits gebruikten om moleculair gedrag te simuleren.
Hoe het werkt: moleculaire verstoringen simuleren
Het proces omvat een reeks stappen:
- Quantum State Manipulatie: Onderzoekers passen in eerste instantie een specifieke reeks bewerkingen toe op de qubits, waarbij ze hun quantumtoestanden op een gecontroleerde manier veranderen.
- Gecontroleerde verstoring: Een enkele qubit wordt vervolgens opzettelijk verstoord en fungeert als een ‘kwantumvlinder’.
- Omkering en meting: De oorspronkelijke reeks bewerkingen wordt in omgekeerde volgorde toegepast en de resulterende kwantumeigenschappen van de qubits worden gemeten.
- Wiskundige analyse: Het analyseren van deze kwantumeigenschappen biedt inzicht in het hele systeem, inclusief details over de structuur van het molecuul.
Deze aanpak weerspiegelt het NMR-proces dat in laboratoria wordt gebruikt, waarbij moleculen met elektromagnetische golven worden aangeduwd en de reacties worden geanalyseerd om de relatieve posities van atomen te bepalen – in wezen fungerend als een ‘moleculaire heerser’. Door dit proces met qubits te emuleren, kunnen onderzoekers mogelijk ‘tussen atomen kijken’ die verder uit elkaar liggen.
Prestaties en potentieel
Het team schat dat het uitvoeren van een soortgelijk protocol op een conventionele supercomputer ongeveer 13.000 keer langer zou duren. Bovendien demonstreert het vermogen om dezelfde resultaten te bereiken op twee verschillende kwantumcomputers de betrouwbaarheid en consistentie van het Quantum Echoes-protocol. Deze verbetering is grotendeels te danken aan verbeteringen in de hardware van Willow, met name een vermindering van de qubit-foutpercentages.
Huidige beperkingen en toekomstige vooruitzichten
Hoewel veelbelovend, is het werk van het team nog steeds voorbereidend. De huidige experimenten gebruiken slechts maximaal 15 qubits en de resultaten kunnen nog steeds worden gerepliceerd met conventionele methoden. Bovendien hebben de resultaten geen formeel peer review-proces ondergaan.
Deskundigen zijn het erover eens dat deze toepassing van Quantum Echoes veelbelovend is, hoewel het nut ervan momenteel beperkt is tot gespecialiseerde biologische studies. Het leggen van een link tussen gevestigde technieken als NMR en kwantumberekeningen is een belangrijke stap voorwaarts. Voortdurende vooruitgang vereist echter dat we de beperkingen aanpakken en een duidelijk voordeel ten opzichte van bestaande methoden aantonen.
Onderzoekers zijn gefocust op het verminderen van de qubit-foutpercentages en het vergroten van het aantal qubits dat in het protocol wordt gebruikt, waardoor de analyse van steeds grotere en complexere moleculen mogelijk wordt. Het uiteindelijke doel is om van deze techniek een waardevol hulpmiddel te maken voor wetenschappers op verschillende gebieden.
De kwestie van de bepaling van de moleculaire structuur is uiterst belangrijk en relevant. Het leggen van een verbinding tussen een gevestigde techniek als NMR en berekeningen uitgevoerd op een kwantumcomputer is een belangrijke stap, maar voorlopig zal de bruikbaarheid van de techniek waarschijnlijk beperkt blijven tot zeer gespecialiseerde studies in de biologie. — Keith Fratus, HQS Quantum-simulaties
Het streven naar kwantumcomputertoepassingen gaat door, en hoewel Quantum Echoes on Willow een indrukwekkende experimentele demonstratie is, hangt het brede gebruik ervan af van het overwinnen van de huidige beperkingen en het uiteindelijk bewijzen van de superioriteit ervan ten opzichte van conventionele methoden. Tot die tijd blijft het een waardevol hulpmiddel voor natuurkundetheoretici die betrokken zijn bij de fundamentele studie van kwantumsystemen.
