Дослідники Google Quantum AI досягли значного прогресу, використовуючи свій квантовий комп’ютер Willow для покращення інтерпретації даних ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Ця широко використовувана техніка в хімії та біології має вирішальне значення для розуміння молекулярних деталей, і робота Google показує, що квантові комп’ютери незабаром зможуть надати цінну допомогу в цій галузі.
Чому це важливо?
Хоча квантові комп’ютери найбільш відомі своїм потенціалом зламати сучасну криптографію (хоча поточні пристрої недостатньо потужні для цього), вони також обіцяють прискорити розробку ліків і матеріалознавство. Ці сфери за своєю суттю включають складні квантові явища, що робить їх добре придатними для квантових обчислень. Остання демонстрація Google підкреслює, як квантові комп’ютери можуть ефективно «розмовляти тією ж мовою, що й природа», потенційно революціонізуючи молекулярний аналіз.
Квантове відлуння та ЯМР: новий підхід
Команда зосередилася на обчислювальному протоколі під назвою Quantum Echoes, який базується на концепції, подібній до «ефекту метелика». Цей ефект описує, як невелика зміна в одній частині системи може спричинити значні наслідки в іншому місці. Дослідники використовували цей принцип у Willow, використовуючи 103 кубіти для моделювання поведінки молекул.
Як це працює: моделювання молекулярних збурень
Процес включає кілька етапів:
- Квантова маніпуляція станом: Дослідники спочатку застосовують певну послідовність операцій до кубітів, змінюючи їхні квантові стани контрольованим чином.
- Контрольоване збурення: Тоді один кубіт навмисно збурюється, діючи як «квантовий метелик».
- Перевертання та вимірювання: Початкова послідовність операцій змінюється, а отримані квантові властивості кубітів вимірюються.
- Математичний аналіз: Аналіз цих квантових властивостей надає інформацію про всю систему, включаючи деталі структури молекули.
Цей підхід відображає процес ЯМР, який використовується в лабораторіях, який передбачає «підштовхування» молекул електромагнітними хвилями та аналіз реакцій для визначення відносних положень атомів — по суті, діючи як «молекулярна лінійка». Моделюючи цей процес за допомогою кубітів, дослідники потенційно можуть «бачити між атомами», які знаходяться далі один від одного.
Продуктивність і потенціал
За оцінками команди, запуск подібного протоколу на звичайних суперкомп’ютерах займе приблизно в 13 000 разів більше часу. Крім того, можливість досягти однакових результатів на двох різних квантових комп’ютерах демонструє надійність і узгодженість протоколу Quantum Echoes. Це покращення значною мірою пов’язане з удосконаленням апаратного забезпечення Willow, а саме меншим рівнем помилок кубітів.
Поточні обмеження та майбутні перспективи
Незважаючи на обнадійливі результати, робота команди все ще триває. У поточних експериментах використовується не більше 15 кубітів, і результати все одно можна відтворити звичайними методами. Крім того, результати не пройшли офіційну експертну перевірку.
Експерти сходяться на думці, що використання Quantum Echoes має значний потенціал, хоча наразі його корисність обмежена спеціалізованими біологічними дослідженнями. Створення зв’язку між усталеними методами, такими як ЯМР і квантовими обчисленнями, є важливим кроком вперед. Однак для подальшого прогресу необхідно розглянути обмеження та продемонструвати явну перевагу над існуючими методами.
Дослідники зосереджені на зниженні частоти помилок кубітів і збільшенні кількості кубітів, які використовуються в протоколі, що дозволить аналізувати все більші та складніші молекули. Зрештою, мета полягає в тому, щоб зробити цю техніку цінним інструментом для вчених у різних галузях.
Питання визначення молекулярної структури надзвичайно важливий і актуальний. Створення зв’язку між усталеними методами, такими як ЯМР, і обчисленнями, виконаними на квантовому комп’ютері, є важливим кроком, але наразі корисність техніки, ймовірно, буде обмежена вузькоспеціалізованими дослідженнями в біології. — Кейт Фратус, HQS Quantum Simulations
Пошуки програм для квантових комп’ютерів тривають, і хоча Quantum Echoes у Willow є вражаючою експериментальною демонстрацією, їх широке використання залежить від подолання поточних обмежень і остаточного доведення їх переваги над звичайними методами. До того часу він залишається цінним інструментом для фізиків-теоретиків, які займаються фундаментальним дослідженням квантових систем.
