قامت أجهزة الكمبيوتر الكمومية بمحاكاة أكبر جزيء لها حتى الآن – بمساعدة

أحد الاستخدامات الواعدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هو محاكاة البروتينات التي يمكن أن تساعدنا في اكتشاف أدوية جديدة، ولكن هذه الأجهزة معرضة حاليًا للخطأ في هذه المهمة. ومع ذلك، فقد حطم اثنان من أجهزة الكمبيوتر الكمومية الآن الرقم القياسي للمحاكاة – حيث حددا خصائص جزيء يحتوي على 12635 ذرة – مع بعض المساعدة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة.

لفهم سلوك جزيئات الدواء، نحتاج إلى تحديد الحالات الكمومية وطاقات إلكتروناتها، وهي مشكلة كمومية لا يمكن حلها غالبًا إلا على أجهزة الكمبيوتر التقليدية فقط.

وبدلاً من ذلك، تحول التعاون بين الباحثين في كليفلاند كلينك في أوهايو، وشركة التكنولوجيا الأمريكية IBM والمعهد العلمي الياباني RIKEN، إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي “تتحدث” فيزياء الكم بشكل افتراضي. لقد طوروا نهجًا هجينًا يجمع بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية وأجهزة الكمبيوتر العملاقة التقليدية واستخدموه لمحاكاة جزيئين كبيرين بشكل غير مسبوق، أحدهما أكبر بنحو 40 مرة من أكبر جزيء سابق تمت محاكاته باستخدام كمبيوتر كمي.

يقول عضو الفريق كينيث ميرز في كليفلاند كلينك: “لقد كان هذا حلمًا بالنسبة لي، ونحن هنا”.

استخدم الباحثون جهازي كمبيوتر كمومي من نوع IBM Heron، أحدهما موجود في RIKEN والآخر في Cleveland Clinic، واثنين من أجهزة الكمبيوتر العملاقة تسمى Fugaku وMiyabi-G، وهما من بين أقوى أجهزة الكمبيوتر في العالم. بالنسبة للجزيئات، اختار الفريق مجموعتين من البروتين وجزيء صغير، أو “مجمعات بروتين ليجند”، التي يقول ميرز إنها مدروسة جيدًا وشائعة كأمثلة أساسية في العلوم الطبية الحيوية. وقام الفريق أيضًا بمحاكاتها في طبقة من الماء، مما يجعل النتائج أقرب إلى محاكاة كيفية عمل الباحثين مع الجزيئات في المختبر.

تتمتع أجهزة الكمبيوتر الكمومية وحدها حاليا بفائدة محدودة بسبب حجمها الصغير نسبيا – مما يحد من قوة الحوسبة – وميلها إلى ارتكاب الأخطاء. لذلك، قام الفريق بتقسيم عمل المحاكاة الجزيئية بين الآلات الأربع، باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية فقط لحساب خصائص محددة لبعض أجزاء الجزيئات. تم بعد ذلك تسليم المخرجات إلى أجهزة الكمبيوتر العملاقة وكانت العملية الحسابية بأكملها عبارة عن تبادل ذهابًا وإيابًا بين نوعي أجهزة الكمبيوتر على مدار أكثر من 100 ساعة. ومع ذلك، يعتقد الفريق أن العملية كانت أسرع مما كانت ستكون عليه بدون الأجهزة الكمومية، كما يقول جيري تشاو من شركة IBM. كما قدرت عمليات المحاكاة أيضًا أدنى طاقات الجزيئات بدقة تنافس بعض الطرق القياسية، وإن لم تكن متفوقة بشكل لا لبس فيه بعد.

يقول جونيو ليو – من جامعة بيتسبيرج في بنسلفانيا – إن الفريق يقدم شيئًا يصعب الحصول عليه، ألا وهو: خطوات عملية نحو حسابات كمومية مفيدة باستخدام أجهزة قيد الاستخدام بالفعل. ويضيف أن “حجم التجربة مثير للإعجاب حقًا”.

يقول ليو أيضًا إنه ينبغي تشجيع النهج الجديد كوسيلة لجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية مفيدة حتى قبل أن تصبح مقاومة للأخطاء. ومع ذلك، يقول ما إذا كان من الممكن إثباته رياضيًا بشكل صارم أن هناك حالات حيث تضمن الطريقة الهجينة دائمًا الأداء المتفوق – الميزة الكمية – لا يزال سؤالًا مفتوحًا.

يقول تشاو إنه بينما يشير العمل الحالي إلى أن الأجهزة الكمومية قد تكون متفوقة في بعض أجزاء الحساب، فإن سجل المحاكاة الجديد هو مجرد خطوة أولى وليس نهائيًا. ويقول: “هناك موجة كبيرة من مجرد توسيع نطاق ما يمكن القيام به”. “بالنسبة لي، القطعة المثيرة هي أنها بدأت للتو.”