Квантово-классические системы моделируют белки в масштабе 12 000 атомов с повышенной точностью.
Исследователи из Кливлендской клиники, RIKEN и IBM провели крупнейшее на сегодняшний день моделирование в рамках квантово-классической химии, смоделировав системы белок-лиганд с более чем 12 000 атомами. Эта работа знаменует собой значительный шаг вперед в использовании квантовых компьютеров наряду с классическими суперкомпьютерами для изучения реальных химических задач.
Команда смоделировала два биологически значимых белка, лизоцим Т4 и трипсин, а также молекулы, с которыми они связываются, в реалистичной водной среде. Самая большая система достигла 12 635 атомов и примерно 30 000 орбиталей, значительно превзойдя более ранние демонстрации квантовых вычислений в химии.
Этот результат получен всего через несколько месяцев после того, как исследователи смоделировали гораздо меньший по размеру белок, состоящий из 303 атомов. Новая работа представляет собой 40-кратное увеличение размера системы и 210-кратное повышение точности на ключевом этапе рабочего процесса, что подчеркивает быстрый прогресс в этой области.
Для достижения этой цели исследователи объединили квантовые процессоры с высокопроизводительными классическими системами, создав то, что они описывают как квантово-ориентированный суперкомпьютерный рабочий процесс. Квантовое оборудование обрабатывало наиболее сложные части вычислений, а классические суперкомпьютеры объединяли результаты.
Квантовая механика встречается с настоящей химией
Для проведения выборки команда использовала до 94 кубитов на двух квантовых процессорах, запустив 9200 схем в течение 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 – одна из тех вещей, о которых мечтаешь», – сказал доктор Кеннет Мерц, руководитель исследования.
Данный подход основан на методе, который разбивает крупные молекулы на более мелкие, управляемые кластеры. Классические компьютеры решают задачи, касающиеся более простых областей, в то время как квантовые системы справляются с наиболее запутанными и вычислительно сложными частями. Затем результаты объединяются для получения общей картины молекулы.
Исследователи также внесли улучшения как в классические, так и в квантовые методы. Одним из ключевых шагов стало усовершенствование способа определения системой того, какие части молекулы нуждаются в детальном квантовом анализе, что позволило снизить общую вычислительную стоимость.
Масштабирование квантовых рабочих процессов
Еще одним достижением стал новый квантовый алгоритм, улучшающий идентификацию важных электронных конфигураций. Это помогает системе сосредоточиться на наиболее важных аспектах поведения молекулы, игнорируя менее полезные данные.
Несмотря на достигнутый прогресс, этот метод пока не превосходит лучшие классические подходы. Однако он демонстрирует, что квантовые системы уже сейчас могут вносить вклад в решение важных научных задач, особенно при интеграции с существующей вычислительной инфраструктурой.
«Если нам нужен прирост на порядок или два, то, вероятно, квантовые вычисления — это то, что нам нужно», — сказал Мерц.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что гибридные квантово-классические рабочие процессы могут стать практическим инструментом в химии, особенно по мере совершенствования квантового оборудования. Ожидается, что будущие системы смогут обрабатывать еще более крупные и сложные молекулы с большей точностью.
Потенциальные области применения значительны. Более точное моделирование может ускорить разработку лекарств, улучшить проектирование материалов и снизить потребность в дорогостоящих лабораторных экспериментах.
Исследование показывает, как сочетание квантовых процессоров с классическими вычислительными ресурсами может определить следующий этап развития высокопроизводительных вычислений, открывая путь к решению задач, которые в настоящее время недоступны.
Sourse: interestingengineering.com
