Квантовый компьютер с 94 кубитами впервые смоделировал белок из 12 000 атомов в водной среде

Исследователи из клиники Кливленда, научного центра RIKEN и компании IBM провели крупнейшую на сегодняшний день квантово-классическую химическую симуляцию, в рамках которой были смоделированы белок-лигандные системы, включающие более 12 000 атомов. Эта работа знаменует собой значительный скачок в том, как квантовые компьютеры могут использоваться вместе с классическими суперкомпьютерами для изучения реальных химических проблем.

Команда смоделировала два биологически значимых белка — T4-лизоцим и трипсин — вместе с молекулами, с которыми они связываются, в реалистичной водной среде. Крупнейшая из смоделированных систем достигла 12 635 атомов и примерно 30 000 орбиталей, что далеко превосходит более ранние демонстрации возможностей квантовых вычислений в химии. Этот результат был получен всего через несколько месяцев после того, как исследователи смоделировали гораздо меньший белок, состоящий из 303 атомов. Новая работа представляет собой 40-кратное увеличение размера системы и 210-кратное улучшение точности в ключевой части вычислительного процесса, что подчеркивает стремительный прогресс в данной области.

Для достижения этого результата исследователи объединили квантовые процессоры с высокопроизводительными классическими системами, создав то, что они называют квантово-ориентированным суперкомпьютерным вычислительным процессом. Квантовое аппаратное обеспечение обрабатывало наиболее сложные части расчетов, в то время как классические суперкомпьютеры объединяли полученные результаты в единое целое. Команда использовала до 94 кубитов на двух квантовых процессорах для выполнения семплирования, запустив 9200 схем за более чем 100 часов и собрав 1,3 миллиарда результатов измерений. Затем квантовые данные были обработаны с помощью мощных классических систем, включая японский суперкомпьютер Fugaku. «Этот результат — из тех, о которых можно только мечтать», — прокомментировал доктор Кеннет Мерц, возглавивший исследование.

Разработанный подход опирается на метод, который разбивает крупные молекулы на более мелкие, управляемые кластеры. Классические компьютеры решают задачи для более простых областей, в то время как квантовые системы берут на себя наиболее запутанные и вычислительно сложные части. Затем результаты рекомбинируются для получения общей картины молекулы. Исследователи также внедрили усовершенствования как в классические, так и в квантовые методы. Один из ключевых шагов заключался в улучшении того, как система определяет, какие части молекулы требуют детальной квантовой обработки, что позволило снизить общие вычислительные затраты.

Еще одним достижением стал новый квантовый алгоритм, который улучшает процесс идентификации наиболее релевантных электронных конфигураций. Это помогает системе фокусироваться на самых важных аспектах поведения молекулы, игнорируя менее полезные данные. Несмотря на прогресс, данный метод пока не превосходит лучшие классические подходы. Тем не менее, он демонстрирует, что квантовые системы уже могут вносить вклад в решение значимых научных проблем, особенно при интеграции с существующей вычислительной инфраструктурой. «Если мы хотим получить еще один-два порядка улучшения, квантовые вычисления — вероятно, путь к этому», — отметил Мерц.

Полученные данные позволяют предположить, что гибридные квантово-классические вычислительные процессы могут стать практическим инструментом для химии, особенно по мере дальнейшего совершенствования квантового оборудования. Ожидается, что будущие системы смогут обрабатывать еще более крупные и сложные молекулы с большей точностью. Потенциальные приложения этого метода значительны. Более точные симуляции могут ускорить открытие новых лекарств, улучшить дизайн материалов и сократить потребность в дорогостоящих лабораторных экспериментах. Это исследование подчеркивает, что сочетание квантовых процессоров с классическими вычислительными ресурсами может определить следующий этап развития высокопроизводительных вычислений, предлагая путь к решению задач, которые в настоящее время находятся за пределами достижимого.