Исследователи из Google Quantum AI достигли значительного прогресса, используя свой квантовый компьютер Willow для улучшения интерпретации данных ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Эта широко используемая техника в химии и биологии имеет решающее значение для понимания молекулярных деталей, и работа Google показывает, что квантовые компьютеры скоро смогут предоставить ценную помощь в этой области.
Почему это важно
Хотя квантовые компьютеры наиболее известны своим потенциалом взлома современной криптографии (хотя текущие устройства недостаточно мощные для этого), они также обещают ускорение разработки лекарств и материаловедения. Эти области по своей природе связаны со сложными квантовыми явлениями, что делает их хорошо подходящими для квантовых вычислений. Последняя демонстрация Google подчеркивает, как квантовые компьютеры могут эффективно «говорить на одном языке с природой», потенциально революционизируя молекулярный анализ.
Квантовые отголоски и ЯМР: новый подход
Команда сосредоточилась на вычислительном протоколе под названием Квантовые отголоски, который основывается на концепции, схожей с «эффектом бабочки». Этот эффект описывает, как небольшое изменение в одной части системы может вызвать большие последствия в другом месте. Исследователи использовали этот принцип в Willow, используя 103 кубита для имитации поведения молекул.
Как это работает: моделирование возмущений молекул
Процесс включает в себя ряд шагов:
- Манипулирование квантовым состоянием: Исследователи изначально применяют определенную последовательность операций к кубитам, изменяя их квантовые состояния контролируемым образом.
- Контролируемое возмущение: Затем один кубит намеренно возмущается, действуя как «квантовая бабочка».
- Обращение и измерение: Исходная последовательность операций применяется в обратном порядке, и затем измеряются результирующие квантовые свойства кубитов.
- Математический анализ: Анализ этих квантовых свойств предоставляет информацию о всей системе, включая детали структуры молекулы.
Этот подход отражает процесс ЯМР, используемый в лабораториях, который включает в себя «подталкивание» молекул электромагнитными волнами и анализ реакций для определения относительного положения атомов — по сути, действуя как «молекулярный линейка». Имитируя этот процесс с помощью кубитов, исследователи могут потенциально «видеть между атомами», находящимися на большем расстоянии друг от друга.
Производительность и потенциал
Команда оценивает, что запуск аналогичного протокола на обычных суперкомпьютерах занял бы примерно в 13 000 раз больше времени. Кроме того, способность достигать тех же результатов на двух разных квантовых компьютерах демонстрирует надежность и согласованность протокола Квантовые отголоски. Это улучшение во многом обусловлено улучшениями в аппаратном обеспечении Willow, а именно снижением частоты ошибок кубитов.
Текущие ограничения и перспективы на будущее
Несмотря на многообещающие результаты, работа команды все еще находится в стадии разработки. Текущие эксперименты используют не более 15 кубитов, и результаты все еще могут быть воспроизведены с помощью обычных методов. Кроме того, результаты не прошли формального процесса рецензирования.
Эксперты сходятся во мнении, что применение Квантовых отголосков имеет значительный потенциал, хотя его полезность в настоящее время ограничена специализированными биологическими исследованиями. Создание связи между устоявшимися техниками, такими как ЯМР, и квантовыми вычислениями является важным шагом вперед. Однако для дальнейшего прогресса необходимо устранить ограничения и продемонстрировать явное превосходство над существующими методами.
Исследователи сосредоточены на снижении частоты ошибок кубитов и увеличении количества кубитов, используемых в протоколе, что позволит анализировать все более крупные и сложные молекулы. В конечном итоге цель состоит в том, чтобы сделать эту технику ценным инструментом для ученых в различных областях.
Вопрос определения молекулярной структуры — чрезвычайно важный и актуальный. Создание связи между устоявшейся техникой, такой как ЯМР, и вычислениями, выполняемыми на квантовом компьютере, является важным шагом, но на данный момент полезность техники, вероятно, будет ограничена узкоспециализированными исследованиями в биологии. — Кийт Фратус, HQS Quantum Simulations
Преследование приложений для квантовых компьютеров продолжается, и хотя Квантовые отголоски на Willow — впечатляющая экспериментальная демонстрация, их широкое использование зависит от преодоления текущих ограничений и, в конечном итоге, доказательства их превосходства над обычными методами. До тех пор это остается ценным инструментом для физиков-теоретиков, занимающихся фундаментальным изучением квантовых систем.
