·
·
Технологии и наука
Ученые из Cleveland Clinic, RIKEN и IBM провели крупнейшее в истории квантово-классическое моделирование химии, смоделировав системы белок-лиганд, содержащие более 12 000 атомов.
Ученые из Cleveland Clinic, RIKEN и IBM достигли крупнейшего в истории квантово-классического моделирования химии, смоделировав системы белок-лиганд, содержащие более 12 000 атомов. Прорыв демонстрирует, как квантовые компьютеры могут работать вместе с классическими суперкомпьютерами для решения реальных химических задач в беспрецедентном масштабе.
Команда смоделировала два биологически важных белка, T4-лизоцим и трипсин, вместе с их связывающими молекулами, все в реалистичной водной среде. Крупнейшая система включала 12 635 атомов и приблизительно 30 000 орбиталей, что значительно превосходит предыдущие демонстрации квантовых вычислений в химии.
Это достижение произошло всего через несколько месяцев после того, как исследователи смоделировали гораздо меньший белок из 303 атомов. Новая работа представляет собой 40-кратное увеличение размера системы и 210-кратное улучшение точности для критической части рабочего процесса, подчеркивая быстрые темпы прогресса в этой области.
Чтобы достичь этого, исследователи объединили квантовые процессоры с высокопроизводительными классическими системами в том, что они описывают как квантово-центричный суперкомпьютерный рабочий процесс. Квантовое оборудование обрабатывало наиболее вычислительно сложные части расчета, в то время как классические суперкомпьютеры собирали результаты.
Команда использовала до 94 кубитов на двух квантовых процессорах для выборки, выполнив 9 200 схем за более чем 100 часов и собрав 1,3 миллиарда результатов измерений. Затем квантовые данные были обработаны с использованием мощных классических систем, включая японский суперкомпьютер Fugaku.
«Этот результат — одна из тех вещей, о которых мечтаешь», — сказал доктор Кеннет Мерц, руководивший исследованием.
Подход основан на методе, который разбивает большие молекулы на более мелкие, управляемые кластеры. Классические компьютеры решают более простые области, в то время как квантовые системы обрабатывают наиболее запутанные и вычислительно сложные части. Затем результаты рекомбинируются для получения общей картины молекулы.
Исследователи также внедрили улучшения как в классические, так и в квантовые методы. Одним из ключевых шагов стало уточнение того, как система определяет, какие части молекулы требуют детальной квантовой обработки, что снижает общую вычислительную стоимость.
Еще одно достижение произошло от нового квантового алгоритма, который улучшает идентификацию релевантных электронных конфигураций. Это помогает системе сосредоточиться на наиболее важных аспектах поведения молекулы, игнорируя менее полезные данные.
Несмотря на прогресс, метод пока не превосходит лучшие классические подходы. Однако он демонстрирует, что квантовые системы уже могут вносить вклад в значимые научные проблемы, особенно при интеграции с существующей вычислительной инфраструктурой.
«Если мы хотим получить еще один-два порядка величины, квантовые вычисления, вероятно, — путь вперед», — сказал Мерц.
Результаты показывают, что гибридные квантово-классические рабочие процессы могут стать практическим инструментом для химии, особенно по мере дальнейшего совершенствования квантового оборудования. Ожидается, что будущие системы будут обрабатывать еще более крупные и сложные молекулы с большей точностью.
Потенциальные применения значительны. Более точные симуляции могут ускорить открытие лекарств, улучшить дизайн материалов и снизить потребность в дорогостоящих лабораторных экспериментах.
Исследование подчеркивает, как объединение квантовых процессоров с классическими вычислительными ресурсами может определить следующий этап высокопроизводительных вычислений, предлагая путь к решению задач, которые в настоящее время недоступны.
