На протяжении десятилетий главным инструментом, позволяющим ученым расшифровать строение сложных молекул, служит спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод можно сравнить с уникальным молекулярным паспортом. Ученые помещают образец в мощное магнитное поле и облучают его радиоволнами. Атомы в молекулах ведут себя как крошечные магниты, и их реакция на это воздействие позволяет с очень высокой точностью определить, как именно соединены атомы, и какое пространственное положение молекула занимает.

Однако у этого мощного метода есть свои ограничения. Его «разрешающая способность» не бесконечна. Представьте линейку, которой измеряют расстояние между двумя точками, находящимися дальше ее длины. Чем дальше точки, тем менее точным будет измерение. 

Аналогично, стандартный ЯМР-анализ с трудом справляется с точным определением взаимного расположения атомов, разделенных большим расстоянием внутри сложной молекулы. Ученым нужна была более длинная и точная «линейка». И здесь на сцену вышли квантовые технологии.

Исследовательская команда Google Quantum AI под руководством Хартмута Невена (Hartmut Neven) объявила о впечатляющих результатах, полученных во время проведения важного эксперимента. Они впервые успешно применили свой квантовый чип Willow для интерпретации данных, аналогичных тем, что получают при ЯМР-спектроскопии, а именно использовали алгоритм для моделирования структуры двух молекул —  с 15 и 28 атомами. Это приближает момент, когда квантовые вычисления станут дополнением к обычныи лабораторным методам.

В Google создали цифровую «жизнь» из цифрового «первичного бульона», которая научилась сама себя воспроизводить

Группа американских программистов смогла запустить процесс самовоспроизведения программ из случайных исходных данных без каких-либо правил и целей, которые могли бы стимулировать такое поведение. Авторы новой работы полагают, что их эксперимент, вероятно, прольет свет на механизмы, лежащие в основе возникновения биологической жизни на Земле.

В основе нового подхода лежит специально разработанный алгоритм Quantum Echoes. Его принцип работы удивительным образом перекликается с известным философским понятием — эффектом бабочки. Согласно ему, небольшое, точечное изменение в сложной системе может вызвать масштабные и предсказуемые последствия во всей системе. Ученые реализовали квантовую версию этого эффекта в системе из 103 кубитов — базовых элементов чипа Willow (вычислительный ресурс всего чипа, на котором можно проводить различные эксперименты).

Эксперимент проходил в несколько этапов. Сначала исследователи применили к массиву кубитов строго определенную последовательность операций, которая изменила их квантовые состояния по заданному сценарию. Затем они выбрали всего один, конкретный кубит и внесли в него небольшое возмущение. Этот кубит сыграл роль той самой «квантовой бабочки», чье измененное состояние запускает цепь событий. После этого вся система кубитов подверглась той же последовательности операций, но запущенной в обратном порядке — словно ученые перемотали видеопленку назад.

Финальным шагом стал детальный анализ конечного состояния кубитов. Оказалось, что информация о том, как возмущение от одного «квантовой бабочки» распространилось по всей системе, содержит в себе данные о всех взаимосвязях внутри этого искусственного квантового мира.

В IBM заявили, что к 2029 году компания создаст полноценный квантовый компьютер

Команда IBM представила план по созданию до конца десятилетия машины под названием Starling, которая, как надеются исследователи, сделает квантовые вычисления безошибочными и полезными для академических кругов и промышленности. По заверению специалиста, для этого у компании уже есть все необходимые технологии.

Именно эту аналогию команда и использовала для решения молекулярных задач. В реальном ЯМР-эксперименте роль возмущения играют электромагнитные волны, а система — это реальная молекула. Квантовый чип Willow симулирует этот процесс. Манипуляции с кубитами имитируют реакцию атомов в молекуле на внешнее воздействие. Следовательно, математический анализ итогового состояния кубитов можно перевести в информацию о структуре виртуальной молекулы, которую они моделируют.

«Мы создаем более длинную молекулярную линейку. Наш метод потенциально позволяет „увидеть“ взаимодействия между атомами, которые находятся на большем расстоянии друг от друга, чем это позволяет сделать стандартный ЯМР-анализ», — объяснил Том О’Брайен (Tom O’Brien), участник проекта.

Эффективность нового метода подтверждается цифрами. По оценкам команды Google, выполнение аналогичного протокола на самом современном классическом суперкомпьютере заняло бы примерно в 30 тысяч раз больше времени. Это наглядно демонстрирует так называемое «квантовое ускорение» для задач конкретного типа.

Статья по теме: Создана первая операционная система для квантовых сетей

Еще одним важным результатом стала воспроизводимость эксперимента. Два разных квантовых компьютера, использовавшие алгоритм Quantum Echoes, выдавали согласованные результаты. Для многих предыдущих квантовых алгоритмов это было серьезной проблемой. О’Брайен связывает этот успех с резким прогрессом в качестве самих кубитов. Инженерам Google удалось значительно снизить уровень ошибок в работе процессора Willow, что делает его вычисления более стабильными и надежными.

Несмотря на впечатляющие успехи, до полной победы квантовых компьютеров в этой области еще далеко. В своих экспериментах с двумя органическими молекулами исследователи использовали одновременно не более 15 кубитов. 

Полученные результаты для этих молекул по-прежнему можно было проверить и повторить традиционными неквантовыми методами. То есть, команде еще только предстоит доказать неоспоримое практическое превосходство над классическими аналогами для реальных научных задач. Стоит также отметить, что исследование предварительное и еще не прошло этап формального независимого рецензирования.

В Китае создали ИИ-чип размером с песчинку, который использует свет для декодирования данных

Чип установлен на кончике оптического волокна и использует свет для обработки данных, он работает без внешних источников энергии. Разработчики обещают, что их детище произведет настоящую революцию в медицине, квантовых технологиях и коммуникациях.

Путь квантовых компьютеров к практической полезности напоминает марафон, а не спринт. Эксперимент Google Quantum AI с алгоритмом Quantum Echoes — это не финишная лента, а уверенный и важный рывок на этой дистанции. Он доказывает, что квантовые устройства уже сегодня могут говорить «на одном языке» с природой молекул и симулировать фундаментальные физические процессы.

Дальнейший прогресс напрямую зависит от улучшения аппаратной части. Снижение количества ошибок и увеличение стабильности кубитов позволят задействовать в расчетах не 15, а десятки и сотни кубитов одновременно. Это откроет дорогу для моделирования не просто молекул, а сложнейших биологических структур, таких как белки, что может кардинально изменить процесс разработки новых лекарств и материалов. Пока же квантовые компьютеры учатся, и их первый «курс молекулярной биологии» оказался крайне успешным.

Выводы ученых представлены в журнале Nature.