Kvantové počítače simulovaly proteiny s 12 000 atomy: Průlom pro vývoj léků

Vědci z Cleveland Clinic, RIKEN a IBM dosáhli významného milníku v kvantové chemii. Provedli dosud největší kvantově-klasickou chemickou simulaci, při které modelovali protein-ligandové systémy s více než 12 000 atomy.

Vědci z Cleveland Clinic, RIKEN a IBM dosáhli významného milníku v kvantové chemii. Provedli dosud největší kvantově-klasickou chemickou simulaci, při které modelovali protein-ligandové systémy s více než 12 000 atomy. Tato práce představuje zásadní rozšíření možností, jak lze kvantové počítače využít společně s klasickými superpočítači ke studiu reálných chemických problémů.

Tým simuloval dva biologicky relevantní proteiny, T4-Lysozym a Trypsin, spolu s molekulami, na které se vážou, a to v realistickém vodním prostředí. Největší systém dosáhl 12 635 atomů a přibližně 30 000 orbitalů, což výrazně překonává dřívější demonstrace kvantových výpočtů v chemii. Tento výsledek přichází jen několik měsíců poté, co vědci modelovali mnohem menší protein s 303 atomy. Nová práce představuje čtyřicetinásobné zvětšení velikosti systému a 210násobné zlepšení přesnosti v klíčové části pracovního postupu, což podtrhuje rychlý pokrok v oboru.

K dosažení tohoto úspěchu vědci zkombinovali kvantové procesory s vysoce výkonnými klasickými systémy a vytvořili takzvaný kvantově-centrický superpočítačový pracovní postup. Kvantový hardware zpracovával nejsložitější části výpočtu, zatímco klasické superpočítače spojovaly výsledky dohromady. Tým využil až 94 qubitů napříč dvěma kvantovými procesory k provádění vzorkování, spustil 9 200 obvodů po dobu více než 100 hodin a shromáždil 1,3 miliardy výsledků měření. Kvantová data byla následně zpracována pomocí výkonných klasických systémů, včetně japonského superpočítače Fugaku. „Tento výsledek je jednou z těch věcí, o kterých sníte,“ uvedl Dr. Kenneth Merz, který studii vedl.

Přístup vychází z metody, která rozděluje velké molekuly na menší, lépe zvládnutelné shluky. Klasické počítače řeší jednodušší oblasti, zatímco kvantové systémy se zabývají nejsložitějšími a výpočetně náročnými částmi. Výsledky jsou poté rekombinovány, aby poskytly celkový obraz molekuly. Vědci také zavedli vylepšení jak klasických, tak kvantových technik. Jedním z klíčových kroků bylo zdokonalení způsobu, jakým systém identifikuje, které části molekuly vyžadují detailní kvantové zpracování, což snižuje celkové výpočetní náklady. Další pokrok přinesl nový kvantový algoritmus, který zlepšuje identifikaci relevantních elektronických konfigurací. To pomáhá systému soustředit se na nejdůležitější části chování molekuly a ignorovat méně užitečná data.

Navzdory pokroku tato metoda zatím nepřekonává nejlepší klasické přístupy. Nicméně demonstruje, že kvantové systémy již mohou přispívat k řešení významných vědeckých problémů, zejména pokud jsou integrovány do stávající výpočetní infrastruktury. „Pokud chceme další posun o řád nebo dva, kvantové výpočty jsou pravděpodobně tou správnou cestou,“ dodal Merz. Zjištění naznačují, že hybridní kvantově-klasické pracovní postupy by se mohly stát praktickým nástrojem pro chemii, zvláště s pokračujícím zlepšováním kvantového hardwaru. Očekává se, že budoucí systémy budou schopny zpracovávat ještě větší a složitější molekuly s větší přesností. Potenciální aplikace jsou značné. Přesnější simulace by mohly urychlit objevování léků, zlepšit návrh materiálů a snížit potřebu nákladných laboratorních experimentů. Výzkum zdůrazňuje, jak kombinace kvantových procesorů s klasickými výpočetními zdroji může definovat další fázi vysoce výkonných výpočtů a nabídnout cestu k řešení problémů, které jsou v současné době mimo dosah.