Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano trzem liderom w dziedzinie sztucznej inteligencji za przewidywanie struktur białek, natomiast koreański zespół badawczy poczynił postępy w obliczenia kwantoweszacując właściwości molekularne w niespotykany dotąd sposób dokładność i mniej zasobów, obiecując postęp w opracowywaniu leków i naukach o materiałach.
Właśnie przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii profesorowi Davidowi Bakerowi z Uniwersytetu im Uniwersytet Waszyngtońskidyrektor generalny Google DeepMind Hershavis i główny badacz John Jumper. Ich przełomowa praca wykorzystuje sztuczną inteligencję do przewidywania struktur białek, otwierając nowe możliwości odkrywania leków i tworzenia zaawansowanych materiałów. W miarę jak sztuczna inteligencja i nauka o danych w dalszym ciągu rewolucjonizują badania, obliczenia kwantowe stają się kolejną siłą transformacyjną w tych dziedzinach.
Postępy w informatyce kwantowej
W Koreańskim Instytucie Nauki i Technologii (KIST), zespół badawczy dr Hyang-Tag Lima poczynił znaczące postępy w obliczeniach kwantowych. Opracowali algorytm umożliwiający szacowanie odległości wiązań międzyatomowych i energii stanu podstawowego z chemiczną dokładnością, a wszystko to przy mniejszym zużyciu zasobów niż tradycyjne metody. Co ciekawe, ich podejście umożliwia osiągnięcie tej precyzji bez polegania na technikach łagodzenia błędów kwantowych, ustanawiając nowy standard w zakresie wydajnych obliczeń kwantowych.
Pokonywanie wyzwań związanych z obliczeniami kwantowymi
Komputery kwantowe mają tę wadę, że w miarę wzrostu przestrzeni obliczeniowej na obecnym poziomie błędy szybko rosną. Aby temu zaradzić, pojawiła się metoda Variational Quantum Eigensolver (VQE), która łączy w sobie zalety komputerów klasycznych i kwantowych. VQE to algorytm hybrydowy zaprojektowany do jednoczesnego wykorzystania jednostki przetwarzania kwantowego (QPU) i klasycznej jednostki przetwarzania (CPU) w celu wykonywania szybszych obliczeń. Globalne zespoły badawcze, w tym IBM i Google, badają go w różnych układach kwantowych, w tym w układach nadprzewodzących i systemach z uwięzionymi jonami. Jednak metoda VQE oparta na kubitach jest obecnie wdrażana tylko do 2 kubitów w układach fotonicznych i 12 kubitów w układach nadprzewodzących i wiąże się z problemami związanymi z błędami, które utrudniają skalowanie, gdy wymagana jest większa liczba kubitów i złożone obliczenia.
Przełomy z Quditami
Zamiast kubitów zespół wykorzystał wielowymiarową formę informacji kwantowej zwaną kuditem. Kudit to jednostka kwantowa, która może mieć wiele stanów, w tym 0, 1 i 2, oprócz 0 i 1, które może reprezentować tradycyjny kubit, co jest korzystne w przypadku złożonych obliczeń kwantowych. W tym badaniu qudit został zaimplementowany poprzez orbitalny stan pędu pojedynczego fotonu, a ekspansja wymiarowa była możliwa poprzez dostosowanie fazy foton poprzez obrazy holograficzne. Umożliwiło to obliczenia wielowymiarowe bez skomplikowanych bramek kwantowych, redukując błędy.
Wpływ i przyszłe zastosowania
Zespół wykorzystał tę metodę do wykonania obliczeń chemii kwantowej za pomocą VQE w celu oszacowania długości wiązań między cząsteczkami wodoru w czterech wymiarach a cząsteczkami wodorku litu (LiH) w 16 wymiarach. Po raz pierwszy przeprowadzono 16-wymiarowe obliczenia w układach fotonicznych. Podczas gdy konwencjonalne VQE firm IBM, Google i innych wymagają technik ograniczania błędów w celu zapewnienia dokładności chemicznej, VQE zespołu KIST osiągnęło dokładność chemiczną bez żadnych technik ograniczania błędów. Pokazuje to, jak wysoką dokładność można osiągnąć przy mniejszych zasobach, pokazując potencjał szerokiego zastosowania w branżach, w których ważne są właściwości molekularne. Oczekuje się, że będzie również przydatny w rozwiązywaniu złożonych problemów, takich jak modelowanie klimatu.
„Oczekujemy, że zabezpieczając technologię obliczeń kwantowych opartą na Qudit, która może osiągnąć dokładność chemiczną przy mniejszych zasobach, będzie ona wykorzystywana w różnych praktycznych dziedzinach, takich jak opracowywanie nowych leków i poprawa wydajności baterii” – powiedział dr Hyang-Tag Lim z KIST.
Odniesienie: „Oparte na Qudit wariacyjne kwantowe rozwiązanie własne wykorzystujące stany pędu fotonicznego orbity” autorstwa Byungjoo Kim, Kang-Min Hu, Myung-Hyun Sohn, Yosep Kim, Yong-Su Kim, Seung-Woo Lee i Hyang-Tag Lim, 23 października 2024, Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.ado3472
