Yeni bir kuantum hesaplama protokolü kimya, biyotıp ve malzeme bilimindeki molekülleri anlamak için standart bir tekniği güçlendirebilir
Google’ın kuantum hesaplama Willow çipi
Google Quantum AI’daki araştırmacılar, kimya ve biyoloji araştırmalarının temel dayanağı olan Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektroskopisinden elde edilen verilerin yorumlanmasına yardımcı olmak için Willow kuantum bilgisayarlarını kullandılar. Bu çalışma, kuantum bilgisayarlarını sıradan moleküler teknolojileri yararlı bir şekilde geliştirebilme uçurumuna sokuyor.
Kuantum bilgisayarların en titizlikle kanıtlanmış kullanım alanları kriptografiyi kırmaktır, ancak günümüzün cihazları şifre çözme algoritmalarını çalıştırmak için çok küçük ve hataya açıktır. Ancak ilerleme kaydedebilecekleri başka bir alan da yeni ilaç ve materyallerin keşfedilmesinde kullanılan prosedürlerin hızlandırılmasıdır. Bu tür prosedürler doğası gereği kuantumdur, dolayısıyla kuantum bilgisayarların yetenekleriyle iyi bir uyum sağlarlar. Hartmut Neven ve Google Quantum AI’daki meslektaşları şimdi bir kuantum bilgisayarın “doğayla aynı dili konuşma” yeteneğinin değerli olabileceği bir örneği gösterdiler.
Ekibin çalışması, Kuantum Yankıları adı verilen bir hesaplama protokolüne ve bunun, bir molekülün yapısının mikroskobik ayrıntılarını belirlemek için kullanılan NMR’ye uygulanabilme yollarına odaklandı.
Kuantum Yankıların temelindeki fikir, kelebek etkisine benzer; küçük bir rahatsızlığın, ait olduğu daha büyük sistemde, bir kelebeğin kanat çırpmasının uzaktaki bir fırtınaya yol açması gibi büyük sonuçlara neden olduğu olgudur. Araştırmacılar bunun kuantum versiyonunu Willow’daki 103 kübitten oluşan bir sistemde kullandılar.
Deneylerde, araştırmacılar ilk olarak kübitlerine belirli bir işlem dizisi uyguladılar ve bu işlem, kübitlerin kuantum durumlarını kontrollü bir şekilde değiştirdi. Daha sonra, daha önce olduğu gibi aynı işlem dizisini uygulamadan önce, bir video kaseti geri sarmak gibi, zaman içinde tersine çevrilerek, “kuantum kelebeği” görevi görecek belirli bir kübiti tedirgin etmek için seçtiler. Son olarak ekip, tüm sistem hakkında bilgi edinmek için analiz ettikleri kübitlerin kuantum özelliklerini ölçtü.
En basit anlamda, laboratuvarlarda kullanılan NMR prosedürü aynı zamanda küçük tedirginliklere dayanır; bu kez gerçek molekülleri elektromanyetik dalgalarla dürtükler, ardından tıpkı bir moleküler cetvel gibi atomların göreceli konumlarını belirlemek için sistemin nasıl tepki verdiğini analiz eder.. Kübit manipülasyonları bu süreci taklit ettiğinde, kübitlerin matematiksel analizi de molekülün yapısının ayrıntılarına çevrilebilir. Tkuantum hesaplama adımı, birbirinden daha uzaktaki atomların arasını görmemize izin verme şansına sahip, diyor ekip üyesi Tom O’Brien. “Daha uzun bir moleküler cetvel inşa ediyoruz.”
Ekip, geleneksel bir süper bilgisayarda Quantum Echoes’a benzer bir protokolü çalıştırmanın yaklaşık 13.000 kat daha uzun süreceğini tahmin ediyor. Testleri ayrıca iki farklı kuantum bilgisayarının her birinin Kuantum Yankılarını çalıştırabildiğini ve aynı sonuçları üretebildiğini gösterdi; bu, ekibin geçmişte desteklediği bazı kuantum algoritmaları için geçerli değildi. O’Brien, bunun kısmen Willow’un donanımının kalitesindeki, kübitlerin hata oranlarının azaltılması gibi hızlı gelişmeler nedeniyle mümkün olduğunu söylüyor.
Ancak hala yapılması gereken iyileştirmeler var. Araştırmacılar iki organik molekül için Willow ve Quantum Echoes’u kullandıklarında, tek seferde yalnızca 15 kübit kullanmışlar ve hesaplamanın sonucu yine de geleneksel, kuantum olmayan yöntemlerle eşleştirilebilir. Başka bir deyişle ekip, Willow’un klasik muadillerine göre açık bir pratik avantaja sahip olduğunu henüz kanıtlayamadı. Kuantum Yankılarının bu özel uygulamasının gösterimi şu anda ön hazırlık aşamasındadır ve resmi bir hakem değerlendirme sürecinden geçmemiştir.
Almanya merkezli kuantum algoritmaları geliştiren bir şirket olan HQS Quantum Simülasyonlarından Keith Fratus, “Moleküler yapının belirlenmesi sorunu son derece önemli ve konuyla alakalı bir sorundur” diyor. NMR gibi yerleşik bir teknik ile kuantum bilgisayarında gerçekleştirilen hesaplamalar arasında bağlantı kurmanın önemli bir adım olduğunu ancak şimdilik tekniğin kullanışlılığının muhtemelen biyolojideki oldukça uzmanlaşmış çalışmalarla sınırlı olacağını söylüyor.
New York Üniversitesi’nden Dries Sels, ekibin deneyinde daha büyük bir kuantum bilgisayar kullanıldığını ve kendisinin ve meslektaşlarının da dahil olduğu daha önce kuantum bilgisayarlarda modellenenlerden daha karmaşık NMR protokolleri ve moleküllerini dikkate aldığını söylüyor. “Kuantum simülasyonu, genellikle kuantum bilgisayarların temel olası kullanım durumlarından biri olarak alıntılanıyor, ancak endüstriyel açıdan ilginç durumların oldukça az örneği var… NMR gibi spektroskopik verilerden model çıkarımının faydalı olabileceğini düşünüyorum” diyor. “Henüz o noktaya geldiğimizi sanmıyorum, ancak bunun gibi çalışmalar sorunu incelemeye devam etmek için motivasyon sağlıyor.”
O’Brien, ekip kübitlerinin performansını geliştirmeye devam ettikçe Kuantum Yankılarını NMR’ye uygulamanın daha kullanışlı hale geleceğini söylüyor. Ne kadar az hata yaparlarsa, aynı anda protokol için o kadar çok sayıda hata kullanılabilir, böylece giderek daha büyük moleküller dikkate alınır.
Bu arada kuantum bilgisayarların en iyi kullanım alanlarına yönelik arayışlar kesinlikle sona ermiş değil. King’s College London’dan Curt von Keyserlingk, Willow üzerinde Quantum Echoes’u çalıştırmanın deneysel olarak son derece etkileyici olduğunu, ancak sağladığı matematiksel analizin geniş bir kullanım alanı bulmasının pek mümkün olmadığını söylüyor. Kendisi, NMR uzmanlarının on yıllardır yapmakta olduğu şeyleri kesin olarak yenene kadar asıl çekiciliğinin kuantum sistemlerine ilişkin temel çalışmalara odaklanan fizik teorisyenlerine yönelik olacağını söylüyor. Ve protokol tamamen geleceğe yönelik olmayabilir; von Keyserlingk, geleneksel bilgisayarların bununla nasıl rekabet edebileceğine dair zaten fikirleri olduğunu söylüyor.
