Представьте себе лекарство от неизлечимой болезни, созданное за месяцы, а не за годы. Чтобы совершать такие прорывы, ученым важно понимать, как молекулы белка сворачиваются в клубки в организме человека. Теперь в этом помогают не только суперкомпьютеры, но и квантовые машины. Компании IonQ и Kipu Quantum сообщили, что их вычислитель решил самую сложную задачу сворачивания белка из когда-либо запущенных на квантовом компьютере.
На самом деле компании IonQ и Kipu Quantum в своем препринте рассказывают о целой серии рекордных достижений в области квантовых вычислений, имеющих прямое отношение к решению реальных задач. Среди прочих квантовый компьютер, как обещают эксперты, поможет в разработке новейших лекарств или в сложных задачах оптимизации.
Наука Mail попросила эксперта Физического института имени Лебедева РАН пояснить, что это достижение означает для мира:
Существует довольно большой спектр практических задач, к примеру, в области логистики, телекоммуникаций, распределения нагрузки на электросети, поиска новых материалов, лекарств и так далее, которые представляют собой задачи оптимизации. Нахождение способа их быстрого и точного решения принесло бы существенный выигрыш как с коммерческой, так и с социальной точки зрения. Для квантовых компьютеров был придуман ряд алгоритмов, которые в теории позволяют решать такие задачи точно и эффективно. Однако для этого нужны достаточно мощные устройства. Исследователи из Kipu и IonQ экспериментально продемонстрировали применение одного из таких алгоритмов в приложении к нескольким практическим задачам, включая задачу сворачивания белков.
Главным прорывом IonQ и Kipu Quantum на сегодняшний день стало успешное моделирование сворачивания белка – фундаментального биологического процесса, критически важного для понимания того, как развиваются те или иные болезни и, как следствие, для создания эффективных лекарств от них.
Командам IonQ и Kipu Quantum удалось решить самую сложную на сегодняшний день задачу сворачивания (фолдинга) белка, состоящего из 12 аминокислот, в трехмерном пространстве. Это абсолютный рекорд для квантовых вычислений, непосредственно выполняемых на квантовом оборудовании.
Если говорить именно о белках, то это самый сложный белок, сворачивание которого было рассчитано на квантовом компьютере. Стоит также отметить, что этот компьютер был основан на ионах в радиочастотной ловушке, а не на сверхпроводящих цепочках, о которых многие привыкли слышать.
Помимо этого, немецкими и американскими специалистами был установлен еще один рекорд: решение чрезвычайно сложных задач оптимизации. Речь идет о так называемых «спиновых стеклах» с полной взаимосвязью и задачах, которые моделируют множество взаимодействующих элементов. Эти задачи были решены с использованием систем, имеющих всего 36 кубитов – аналогов «битов» в классических компьютерах. Важно, что для всех этих сложных задач были найдены оптимальные решения, что является рекордом для задач такого типа, решенных на квантовом оборудовании.
Все вычисления были выполнены на квантовых процессорах IonQ поколения Forte, основанных на технологии захваченных в ловушки ионов. Также для решения использовался уникальный алгоритм Kipu Quantum под названием BF-DCQO. Этот алгоритм работает итеративно (шаг за шагом) и не является вариационным, что делает его одновременно точным и эффективным в использовании ресурсов.
Особенность алгоритма состоит в том, что с каждым шагом он находит лучшее решение, используя все меньше квантовых операций. Это особенно важно для задач наподобие задачи сворачивания белка, где необходимо учитывать много взаимодействий между частями молекулы в виде цепочки.
Преимуществом IonQ оказалась архитектура с «полной взаимосвязью» кубитов. В системах на захваченных ионах каждый кубит может напрямую взаимодействовать с любым другим кубитом в системе. Это резко повышает эффективность вычислений для задач с множеством взаимодействий (такими, как длинная молекула белка). Такая архитектура процессора IonQ помогает получать более качественные решения быстрее и с меньшими затратами.
Наша лаборатория также занимается ионными квантовыми компьютерами, и мы рассматриваем подобные задачи оптимизации как одно из ближайших применений таких систем. Они очень хорошо ложатся на архитектуру ионных систем, так как в них каждый отдельный кубит может быть связан с каждым кубитом, что невозможно при использовании тех же сверхпроводниковых кубитов. При этом используемые алгоритмы не требуют большого числа запусков. Мы применяем немного другие алгоритмы, но тем не менее уже продемонстрировали применение сходных подходов к решению задачи факторизации чисел.
«Эта коллаборация не только бьет рекорды производительности, но и позволяет нам добиваться квантового преимущества […] в широком списке задач для промышленности», – подчеркнул профессор Энрике Солано, генеральный директор и сооснователь Kipu Quantum.
На фоне этого достижения компании объявили о расширении сотрудничества: теперь у специалистов Kipu Quantum есть ранний доступ к следующим поколениям чипов IonQ на 64 и 256 кубитов. Дальнейшая коллаборация компаний может привести к решению еще более масштабных задач, имеющих важное промышленное значение. Обе компании активно исследуют возможности достижения квантового преимущества в ближайшей перспективе не только в разработке лекарств, но и в логистике, материаловедении и других областях.
Это не демонстрация квантового превосходства – такие белки можно посчитать и на классическом компьютере. Однако это важная веха, демонстрирующая корректность работы алгоритма и достаточно высокие характеристики компьютера. Важно отметить, что используемый подход является достаточно универсальным и многие другие практические задачи могут быть решены с его помощью.
Ранее Наука Mail писала о создании квантовых суперкомпьютеров, которые поднимут вычисления на немыслимый сегодня уровень.