Google afferma che il suo computer quantistico può rivelare la struttura delle molecole

I ricercatori di Google Quantum AI hanno utilizzato il loro computer quantistico Wilo per aiutare a interpretare i dati della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), un pilastro della ricerca in chimica e biologia. Questo lavoro mette i computer quantistici sul punto di essere in grado di migliorare utilmente le comuni tecnologie molecolari.

Gli usi più rigorosamente provati dei computer quantistici riguardano la violazione della crittografia, ma i dispositivi di oggi sono troppo piccoli e soggetti a errori per eseguire algoritmi di decrittazione. Tuttavia, un altro ambito in cui possono fare progressi è l’accelerazione dei processi utilizzati per scoprire nuovi farmaci e materiali. Tali processi sono intrinsecamente di natura quantistica, quindi corrispondono bene alle capacità dei computer quantistici. Hartmut Niven E i suoi colleghi di Google Quantum AI hanno ora dimostrato un esempio in cui la capacità di un computer quantistico di “parlare la stessa lingua della natura” potrebbe rivelarsi preziosa.

Il lavoro del team si concentra su un protocollo computazionale chiamato echi quantistici e sui modi per applicarlo all’NMR, che viene utilizzato per determinare i dettagli microscopici della struttura di una molecola.

L’idea alla base degli echi quantistici è simile all’effetto farfalla – il fenomeno in cui una piccola perturbazione provoca una conseguenza più grande nel sistema più ampio a cui appartiene, come il battito delle ali di una farfalla che provoca una tempesta lontana. I ricercatori ne hanno utilizzato una versione quantistica in un sistema composto da 103 qubit all’interno di Willow.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno prima applicato una sequenza specifica di operazioni ai loro qubit, che hanno modificato lo stato quantico del qubit in modo controllato. Hanno quindi scelto un qubit specifico da perturbare, che avrebbe agito come una “farfalla quantistica”, prima di applicare la stessa sequenza di operazioni di prima ma invertite nel tempo, come riavvolgere una videocassetta. Infine, il team ha misurato le proprietà quantistiche dei qubit, che ha analizzato per ottenere informazioni sull’intero sistema.

Nel senso più semplice, anche il processo NMR utilizzato nei laboratori si basa su minuscole perturbazioni, questa volta spingendo molecole reali con onde elettromagnetiche, quindi analizzando come il sistema risponde per determinare le posizioni relative degli atomi come un righello molecolare.Quando le manipolazioni dei qubit simulano questo processo, l’analisi matematica del qubit può anche essere tradotta in una descrizione della struttura della molecola. TèI loro progressi nell’informatica quantistica ci permettono di vedere tra atomi distanti tra loro, dice il membro del team Tom O’Brien“Stiamo costruendo un lungo righello molecolare.”

Il team stima che l’esecuzione dello stesso protocollo degli echi quantistici richiederebbe circa 13.000 volte più tempo su un supercomputer convenzionale. I loro test hanno anche dimostrato che due diversi computer quantistici potrebbero eseguire ciascuno Quantum Echo e produrre risultati identici, il che non era il caso di alcuni degli algoritmi quantistici che il team ha sostenuto in passato. O’Brien afferma che ciò è in parte possibile grazie ai rapidi miglioramenti nella qualità dell’hardware di Willow, come la riduzione del tasso di errore dei suoi qubit.

Ma ci sono ancora miglioramenti da apportare. Quando i ricercatori hanno utilizzato Willow e gli echi quantistici per due molecole organiche, hanno utilizzato solo fino a 15 qubit alla volta e i risultati dei calcoli potevano ancora essere confrontati con metodi tradizionali non quantistici. In altre parole, il team deve ancora dimostrare che Willow ha un chiaro vantaggio pratico rispetto alle sue controparti classiche. La dimostrazione di questa specifica applicazione degli echi quantistici è attualmente preliminare e non è stata sottoposta a un processo formale di revisione tra pari.

“La questione della determinazione della struttura molecolare è estremamente importante e rilevante”, afferma Keith Fratus HQS in Quantum Simulation, una società con sede in Germania che sviluppa algoritmi quantistici. Secondo lui, il collegamento tra tecniche consolidate come la NMR e i calcoli eseguiti sui computer quantistici è un passo importante, ma per il momento l’utilità della tecnica sarà probabilmente limitata a studi altamente specializzati in biologia.

asciuga le cellule La New York University afferma che l’esperimento del team utilizza un computer quantistico più grande e considera protocolli e molecole NMR più complessi di quelli che lui e i suoi colleghi, inclusi altri, hanno precedentemente ideato sui computer quantistici. “La simulazione quantistica è spesso citata come uno dei principali casi d’uso potenziali per i computer quantistici, ma ci sono davvero pochi esempi di casi interessanti a livello industriale… Penso che la stima del modello su dati spettroscopici come l’NMR potrebbe rivelarsi utile”, afferma. “Non credo che siamo ancora arrivati ​​a questo punto, ma un lavoro come questo fornisce la motivazione per continuare a studiare il problema.”

O’Brien afferma che l’applicazione degli echi quantistici all’NMR diventerà più utile man mano che il team continuerà a migliorare le prestazioni dei propri qubit. Meno errori commettono, più se ne possono utilizzare contemporaneamente per il protocollo, consentendo così di prendere in considerazione molecole sempre più grandi.

Nel frattempo la ricerca sul miglior utilizzo dei computer quantistici non è certo finita. L’esecuzione di echi quantistici su Willow è estremamente impressionante dal punto di vista sperimentale, ma è improbabile che l’analisi matematica che consente trovi un uso diffuso, afferma Kurt von Keyserlingk King’s College di Londra. Dice che, sebbene non possa certamente superare ciò che gli esperti NMR hanno fatto per decenni, il suo interesse principale sarà per i teorici della fisica che si concentrano sugli studi fondamentali dei sistemi quantistici. E il protocollo potrebbe non essere del tutto a prova di futuro: von Keyserlingk afferma di avere già idee su come l’informatica tradizionale potrebbe combatterlo.