Badacze Google Quantum AI poczynili znaczne postępy, wykorzystując komputer kwantowy Willow do poprawy interpretacji danych jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR). Ta szeroko stosowana technika w chemii i biologii ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia szczegółów molekularnych, a prace Google pokazują, że komputery kwantowe wkrótce będą w stanie zapewnić cenną pomoc w tej dziedzinie.
Dlaczego to jest ważne?
Chociaż komputery kwantowe są najbardziej znane ze swojego potencjału w zakresie łamania współczesnej kryptografii (choć obecne urządzenia nie są na to wystarczająco mocne), obiecują również przyspieszyć opracowywanie leków i naukę o materiałach. Obszary te z natury obejmują złożone zjawiska kwantowe, dzięki czemu dobrze nadają się do obliczeń kwantowych. Najnowsza demonstracja Google pokazuje, jak komputery kwantowe mogą skutecznie „mówić tym samym językiem, co natura”, potencjalnie rewolucjonizując analizę molekularną.
Echa kwantowe i NMR: nowe podejście
Zespół skupił się na protokole obliczeniowym o nazwie Quantum Echoes, który opiera się na koncepcji podobnej do „efektu motyla”. Efekt ten opisuje, jak niewielka zmiana w jednej części systemu może spowodować duże skutki w innym miejscu. Naukowcy wykorzystali tę zasadę w Willow, wykorzystując 103 kubity do symulacji zachowania cząsteczek.
Jak to działa: modelowanie zaburzeń molekularnych
Proces obejmuje szereg kroków:
- Manipulacja stanem kwantowym: Badacze początkowo stosują określoną sekwencję operacji na kubitach, zmieniając ich stany kwantowe w kontrolowany sposób.
- Zaburzenie kontrolowane: Wtedy jeden kubit zostaje celowo zaburzony, zachowując się jak „motyl kwantowy”.
- Odwrócenie i pomiar: Oryginalna sekwencja operacji jest odwracana, a następnie mierzone są wynikowe właściwości kwantowe kubitów.
- Analiza matematyczna: Analiza tych właściwości kwantowych dostarcza informacji o całym układzie, w tym szczegółów struktury cząsteczki.
Podejście to odzwierciedla proces NMR stosowany w laboratoriach, który polega na „podsuwaniu” cząsteczek falami elektromagnetycznymi i analizowaniu reakcji w celu określenia względnych pozycji atomów – zasadniczo działając jako „władca molekularny”. Symulując ten proces za pomocą kubitów, badacze mogą potencjalnie „widzieć pomiędzy atomami”, które są dalej od siebie.
Wydajność i potencjał
Zespół szacuje, że uruchomienie podobnego protokołu na konwencjonalnych superkomputerach zajęłoby około 13 000 razy dłużej. Dodatkowo możliwość osiągnięcia tych samych wyników na dwóch różnych komputerach kwantowych świadczy o niezawodności i spójności protokołu Quantum Echoes. Ta poprawa wynika w dużej mierze z ulepszeń sprzętu Willow, a mianowicie niższych współczynników błędów kubitowych.
Obecne ograniczenia i perspektywy na przyszłość
Pomimo obiecujących wyników prace zespołu wciąż trwają. Obecne eksperymenty wykorzystują nie więcej niż 15 kubitów, a wyniki nadal można odtworzyć przy użyciu konwencjonalnych metod. Ponadto wyniki nie zostały poddane formalnemu procesowi recenzji naukowej.
Eksperci są zgodni, że zastosowanie echa kwantowego ma znaczny potencjał, choć jego użyteczność ogranicza się obecnie do specjalistycznych badań biologicznych. Stworzenie powiązania między uznanymi technikami, takimi jak NMR i obliczenia kwantowe, stanowi ważny krok naprzód. Aby jednak osiągnąć dalszy postęp, należy wyeliminować ograniczenia i wykazać wyraźną wyższość nad istniejącymi metodami.
Naukowcy skupiają się na zmniejszeniu współczynnika błędów kubitów i zwiększeniu liczby kubitów wykorzystywanych w protokole, co umożliwi analizę coraz większych i bardziej złożonych cząsteczek. Docelowo celem jest uczynienie tej techniki cennym narzędziem dla naukowców z różnych dziedzin.
Zagadnienie określenia struktury molekularnej jest niezwykle ważne i aktualne. Stworzenie powiązania między uznanymi technikami, takimi jak NMR, a obliczeniami wykonywanymi na komputerze kwantowym to ważny krok, ale na razie użyteczność tej techniki prawdopodobnie będzie ograniczona do wysoce specjalistycznych badań w biologii. — Keith Fratus, symulacje kwantowe HQS
Trwają prace nad zastosowaniami komputerów kwantowych i chociaż Quantum Echoes w Willow to imponująca demonstracja eksperymentalna, ich powszechne zastosowanie zależy od przezwyciężenia obecnych ograniczeń i ostatecznego udowodnienia ich wyższości nad metodami konwencjonalnymi. Do tego czasu pozostaje cennym narzędziem dla fizyków teoretycznych zajmujących się podstawowymi badaniami układów kwantowych.
