أجهزة الكمبيوتر الكمومية تحاكي بروتينات تحتوي على 12,000 ذرة في إنجاز كبير

حقق علماء من كليفلاند كلينك ومعهد ريكين وIBM أكبر محاكاة كيميائية كمومية-كلاسيكية على الإطلاق، حيث قاموا بنمذجة أنظمة بروتين-ربيطة تحتوي على أكثر من 12,000 ذرة. يُظهر هذا الإنجاز كيف يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية العمل جنبًا إلى جنب مع أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية لمعالجة مشاكل كيميائية واقعية على نطاق غير مسبوق.

قام الفريق بمحاكاة بروتينين مهمين بيولوجيًا، T4-Lysozyme وTrypsin، بالإضافة إلى جزيئاتهما المرتبطة، وكل ذلك ضمن بيئة مائية واقعية. يتألف أكبر نظام من 12,635 ذرة وحوالي 30,000 مدار، متجاوزًا بكثير العروض التوضيحية السابقة للحوسبة الكمومية في الكيمياء.

يأتي هذا الإنجاز بعد أشهر فقط من قيام الباحثين بنمذجة بروتين أصغر بكثير يحتوي على 303 ذرات. يمثل العمل الجديد زيادة بمقدار 40 ضعفًا في حجم النظام وتحسنًا بمقدار 210 أضعاف في الدقة لجزء حاسم من سير العمل، مما يؤكد على سرعة التقدم في هذا المجال.

لتحقيق ذلك، جمع الباحثون بين المعالجات الكمومية والأنظمة الكلاسيكية عالية الأداء فيما يصفونه بسير عمل حوسبة فائقة تركز على الكم. تعاملت الأجهزة الكمومية مع الأجزاء الأكثر تطلبًا من الناحية الحسابية، بينما قامت أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية بتجميع النتائج.

الكم يلتقي بالكيمياء الحقيقية

استخدم الفريق ما يصل إلى 94 كيوبت عبر معالجين كموميين لأخذ العينات، وتنفيذ 9,200 دائرة على مدى أكثر من 100 ساعة وجمع 1.3 مليار نتيجة قياس. تمت بعد ذلك معالجة البيانات الكمومية باستخدام أنظمة كلاسيكية قوية، بما في ذلك الكمبيوتر العملاق Fugaku الياباني.

قال الدكتور كينيث ميرز، الذي قاد الدراسة: "هذه النتيجة هي واحدة من تلك الأشياء التي تحلم بها".

يعتمد النهج على طريقة تقسم الجزيئات الكبيرة إلى مجموعات أصغر يمكن التحكم فيها. تحل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية المناطق الأبسط، بينما تعالج الأنظمة الكمومية الأجزاء الأكثر تشابكًا وصعوبة من الناحية الحسابية. ثم يتم إعادة تجميع النتائج لإنتاج صورة شاملة للجزيء.

كما قدم الباحثون تحسينات على كل من التقنيات الكلاسيكية والكمومية. تضمنت إحدى الخطوات الرئيسية تحسين كيفية تحديد النظام لأجزاء الجزيء التي تحتاج إلى معالجة كمومية مفصلة، مما يقلل من التكلفة الحسابية الإجمالية.

توسيع نطاق سير العمل الكمومي

جاء تقدم آخر من خوارزمية كمومية جديدة تعمل على تحسين كيفية تحديد التكوينات الإلكترونية ذات الصلة. يساعد ذلك النظام على التركيز على أهم أجزاء سلوك الجزيء مع تجاهل البيانات الأقل فائدة.

على الرغم من التقدم، إلا أن الطريقة لا تتفوق بعد على أفضل الأساليب الكلاسيكية. ومع ذلك، فإنها تُظهر أن الأنظمة الكمومية يمكنها بالفعل المساهمة في المشكلات العلمية الهامة، خاصة عند دمجها مع البنية التحتية الحاسوبية الحالية.

قال ميرز: "إذا أردنا قفزة أخرى بمقدار مرتبة أو اثنتين من حيث الحجم، فمن المحتمل أن تكون الحوسبة الكمومية هي الطريق الأمثل".

تشير النتائج إلى أن سير العمل الهجين الكمومي-الكلاسيكي يمكن أن يصبح أداة عملية للكيمياء، خاصة مع استمرار تحسن الأجهزة الكمومية. من المتوقع أن تتعامل الأنظمة المستقبلية مع جزيئات أكبر وأكثر تعقيدًا بدقة أكبر.

التطبيقات المحتملة كبيرة. يمكن للمحاكاة الأكثر دقة أن تسرع اكتشاف الأدوية، وتحسن تصميم المواد، وتقلل الحاجة إلى التجارب المعملية المكلفة.

يسلط البحث الضوء على كيف أن الجمع بين المعالجات الكمومية وموارد الحوسبة الكلاسيكية قد يحدد المرحلة التالية من الحوسبة عالية الأداء، مما يوفر مسارًا لحل المشكلات التي لا يمكن الوصول إليها حاليًا.