Arbejde i tandem, en kvantecomputer og en supercomputer modellerede opførslen af flere molekyler og banede vejen for nyttige anvendelser inden for kemi og farmaceutisk forskning
Dele af en IBM -kvantecomputer, der vises
En kvantecomputer og konventionel supercomputer, der arbejder sammen, kan blive et uvurderligt værktøj til forståelse af kemikalier. Et samarbejde mellem IBM og det japanske videnskabelige institut Riken har nu etableret en vej til at komme dertil.
Forudsigelse af, hvad et molekyle vil gøre inden for en reaktion – for eksempel som en del af en medicinsk behandling eller en industriel katalysator – hænger ofte sammen med at forstå dens elektroners kvantetilstand. Kvantecomputere kunne fremskynde processen med at beregne disse tilstande, men i deres nuværende form er de stadig tilbøjelige til fejl. Konventionelle supercomputere kan fange disse fejl, før de bliver et problem.
I en fælles erklæring til Ny videnskabsmandSeiji Yunoki og Mitsuhisa Sato på Riken sagde, at kvantecomputere kan skubbe traditionelle computere til nye muligheder. Nu har de og deres kolleger brugt IBMs Heron Quantum Computer og Rikens Fugaku -supercomputer til at modellere molekylært nitrogen samt to forskellige molekyler fremstillet af jern og svovl.
Forskerne brugte op til 77 kvantebits eller qubits, og en algoritme kaldet SQD for at opdele beregningen af molekylernes kvantetilstand mellem maskinerne. Kvantcomputeren foretog beregninger, mens supercomputeren kontrollerede og korrigerede fejl. For eksempel, hvis Heron producerede en matematisk funktion, der beskriver flere elektroner end indeholdt i molekylet, ville Fugaku kaste den del af opløsningen og få Heron -opdatering og gentage beregningen.
Denne hybridmetode overgår endnu ikke det bedste tilfælde af, hvad en supercomputer kunne gøre alene, men den er konkurrencedygtig med nogle standardmetoder, siger Jay Gambetta på IBM, der ikke var involveret i eksperimentet. “Det er (nu) bare om at sammenligne beregningsværktøjer.”
På kort sigt er denne intervention den “hemmelige sauce” for at få fejlutsatte kvantecomputere til at udføre kemi, siger Kenneth Merz på Cleveland Clinic i Ohio. Ved hjælp af en anden IBM -kvantecomputer, der blev åket til en klassisk computer, udviklede hans team en variation af SQD -algoritmen, der kan modellere molekyler i løsninger, hvilket er en mere realistisk repræsentation af kemiske eksperimenter end tidligere modeller.
Efter Merz’s opfattelse kunne yderligere optimeringer af SQD hjælpe kombinationen af kvante- og konventionel computing med at opnå konkrete fordele i forhold til sidstnævnte inden for det næste år.
”Kombinationen af Quantum og Supercomputing er ikke kun værd – det er uundgåeligt,” siger Sam Stanwyck hos computerfirmaet Nvidia. En realistisk anvendelse af kvanteberegning er en, hvor kvanteprocessorer er integreret med kraftfulde klassiske processorer i et supercomputercenter, siger han. NVIDIA har allerede udviklet en softwareplatform, der sigter mod at understøtte sådanne hybridmetoder.
Aseem Datar hos Microsoft siger, at hans firma har sine seværdigheder sat på det “enorme potentiale i kombinationen af kvanteberegning, supercomputing og AI for også at fremskynde og transformere kemi og materialevidenskab”.
Men selvom interessenterne i kvantekomputeringsindustrien forkæmper ideen, er der stadig mange udfordringer. Markus Reiher hos Eth Zürich i Schweiz siger, at resultaterne fra Riken -eksperimentet er opmuntrende, men det er endnu ikke klart, om denne tilgang vil blive den foretrukne måde at udføre kvantekemiberegninger på. For det første forbliver nøjagtigheden af Quantum-supercomputer-parets endelige svar usikkert. For en anden er der allerede veletablerede konventionelle metoder til udførelse af sådanne beregninger-og de fungerer meget godt.
Løftet om at inkorporere en kvantecomputer i beregningsprocessen er, at det kan hjælpe med at modellere større molekyler eller arbejde hurtigere. Men Reiher siger, at opskalering af den nye tilgang kan være vanskelig.
Gambetta siger, at en ny version af IBMs Heron Quantum Computer blev installeret på Riken i juni – og det giver allerede færre fejl end tidligere modeller. Han forventer endnu større hardwareforbedringer i den nærmeste fremtid.
Forskerne finjusterer også SQD -algoritmen og optimerer den måde, Heron og Fugaku arbejder parallelt med for at gøre processen mere effektiv. Merz siger, at situationen ligner, hvor konventionelle supercomputere var i 1980’erne: der er ingen mangel på åbne problemer, men at indarbejde ny teknologi kunne levere store afkast.