Chemia kwantowa dąży do wykorzystania możliwości komputerów kwantowych w modelowaniu interakcji elektronów w strukturach molekularnych
Piotr Mazurkiewicz
Reklama
77-kubitowy procesor IBM współpracujący z japońskim superkomputerem Fugaku podejmuje wyzwania związane z najbardziej skomplikowanymi układami chemicznymi. W innowacyjnym projekcie koncern technologiczny wraz z instytutem RIKEN opracował metodę umożliwiającą rozwiązywanie zadań uznawanych dawniej za niewykonalne.
Reklama Reklama
Kwantowe układy i superkomputery – tandem napędzający postęp w medycynie
Dział chemii kwantowej koncentruje się na zastosowaniu technologii kwantowej do analizy zjawisk elektronowych w molekułach. Proces ten wymaga ogromnych zasobów obliczeniowych – według analiz Quantum Insider, symulowanie insuliny wiąże się ze śledzeniem ponad 33 tysięcy orbitali molekularnych, co przekracza możliwości współczesnych superkomputerów. W lipcowej publikacji naukowcy z Cleveland Clinic wykazali, że połączenie komputerów kwantowych z infrastrukturą superkomputerową pozwala na precyzyjniejsze niż kiedykolwiek modelowanie cząsteczek. Testy hybrydowej metody przeprowadzono na pierścieniu wodorowym (18 atomów) i cykloheksanie, gdzie model trafnie określił stabilność struktur. Zużycie kubitów okazało się niższe niż w przypadku samodzielnych systemów kwantowych. W ramach współpracy wykorzystano japoński Fugaku wraz z procesorem Heron od IBM do analizy złożonych kompleksów żelaza i siarki.
– Komputery kwantowe cieszą się nieco kontrowersyjną reputacją ze względu na wieloletnie obietnice bez przełomów – zauważył Kenneth Merz z Centrum Obliczeniowych Nauk o Życiu w Cleveland Clinic w rozmowie z Interesting Engineering. – Obecnie wkraczamy jednak w fazę, gdzie rozwój sprzętu umożliwia testowanie algorytmów kwantowych i ocenę ich potencjału przed erą zaawansowanych, stabilnych systemów planowanych na najbliższe 3-5 lat. To fascynujący okres dynamicznych przemian w obszarze innowacji technologicznych – dodał.
Żelazo, siarka i algorytmy – chemiczne obliczenia w rzeczywistości kubitów
Symulowanie skupisk żelazowo-siarkowych demonstruje możliwości hybrydowych systemów obliczeniowych. Badacze coraz częściej potwierdzają, że część wczesnych założeń dotyczących odpornych na błędy maszyn kwantowych może zostać spełniona dzięki synergii technologii klasycznych i kwantowych. – W IBM inicjujemy bezpośrednią integrację komputerów kwantowych, takich jak IBM Quantum System Two, z wysokowydajnymi systemami klasycznymi jak Fugaku – wyjaśnił Antonio Mezzacapo, lider ds. superkomputerów kwantowych w IBM, w rozmowie z Interesting Engineering. – To rewolucyjne podejście pozwala optymalnie rozdzielać zadania obliczeniowe między procesory CPU, GPU i QPU, wykorzystując mocne strony każdej z technologii – podkreślił.
Reklama Reklama Reklama
W ramach tej kwantowo-centrycznej architektury naukowcy po raz pierwszy podjęli się analizy problemów chemicznych wymagających dotąd odpornych na błędy rozwiązań kwantowych. Najnowsze badania skupiają się na metodach wykorzystujących model hybrydowy do osiągnięcia przewagi kwantowej w praktycznych zastosowaniach.
W ramach eksperymentu zespół IBM i RIKEN zastosował obliczenia kwantowe do badania układów żelazowo-siarkowych, odgrywających kluczową rolę w procesach biologicznych. Przykładem jest enzym nitrogenaza, przekształcający azot atmosferyczny w amoniak niezbędny dla rozwoju roślin. – Nasza współpraca z RIKEN umożliwiła już precyzyjne modelowanie złożonych struktur żelazowo-siarkowych istotnych dla zrozumienia procesów biochemicznych i przemysłowych – zaznaczył Mezzacapo.
Starling wkracza na scenę – nowy rozdział w kwantowej informatyce bez błędów
Mimo postępów IBM, wyzwania pozostają. Zastosowanie 77 kubitów w modelowaniu złożonych związków chemicznych stanowi ważny krok milowy, lecz nie jest pozbawione trudności. Głównym ograniczeniem pozostaje szum, a urządzenia kwantowe wciąż wymagają minimalizacji błędów poprzez udoskonalanie sprzętu, optymalizację algorytmów i wsparcie klasycznych systemów.
Priorytetem jest eliminowanie tych niedoskonałości na masową skalę dzięki komputerowi Starling, którego wdrożenie planowane jest na 2029 rok. Maszyna ma być 20 tys. razy szybsza od obecnych rozwiązań dzięki architekturze odpornej na błędy, redukującej nakłady na korekcję o 90% i wymagającej mniej kubitów fizycznych do tworzenia stabilnych kubitów logicznych. Starling ma dysponować 200 kubitami logicznymi, wykonującymi setki milionów do miliardów operacji kwantowych. Postępy w dziedzinie sprzętu umożliwią dalszy rozwój synergii między technologiami klasycznymi i kwantowymi.
Reklama Reklama Reklama
Kwantowe superkomputery, gdzie procesory CPU, GPU i QPU współpracują, już teraz rozwiązują problemy uznawane za niedostępne dla klasycznych systemów. Ten model może stać się kluczem do najważniejszych odkryć w dziedzinie obliczeń kwantowych w nadchodzących latach.
