Google、量子コンピューターで分子の構造を明らかにできると発表

Google Quantum AI の研究者は、Willow 量子コンピューターを使用して、化学と生物学の研究の中心である核磁気共鳴 (NMR) 分光法からのデータの解釈を支援しました。この研究により、量子コンピューターは、ありふれた分子テクノロジーを有効に拡張できる崖っぷちに立つことになります。

量子コンピューターの最も厳密に証明された用途は暗号の解読ですが、今日のデバイスは小さすぎてエラーが発生しやすく、復号アルゴリズムを実行できません。しかし、彼らが進歩できるもう一つの分野は、新薬や新素材の発見に使用される手順の加速です。このような手順は本質的に量子的な性質を持っているため、量子コンピューターの機能によく適合します。 Google Quantum AI の Hartmut Neven 氏と彼の同僚は、量子コンピューターの「自然と同じ言語を話す」能力が価値があることが証明される可能性がある一例を実証しました。

研究チームの研究は、量子エコーと呼ばれる計算プロトコルと、それを分子構造の微細な詳細を決定するために使用される NMR に適用する方法に焦点を当てました。

クォンタムエコーズの核となる考え方は、バタフライ効果に似ています。バタフライ効果とは、蝶の羽ばたきが遠くの嵐を引き起こすなど、小さな外乱が、それが属するより大きなシステムに大きな影響を与える現象です。研究者らは、これの量子バージョンを Willow 内の 103 量子ビットで構成されるシステムで使用しました。

実験では、研究者らはまず特定の一連の操作を量子ビットに適用し、制御された方法で量子ビットの量子状態を変化させた。次に、摂動する特定の量子ビットを 1 つ選択し、これが「量子バタフライ」として機能し、ビデオ テープを巻き戻すように、以前と同じ操作シーケンスを適用しますが、時間の経過とともに逆になります。最後に、チームは量子ビットの量子特性を測定し、システム全体に関する情報を得るために分析しました。

最も単純な意味では、実験室で使用される NMR 手順も小さな摂動に依存しており、今回は実際の分子を電磁波で少しずつ動かし、システムがどのように反応するかを分析して、分子定規のように原子の相対位置を決定します。。量子ビット操作がこのプロセスをエミュレートする場合、量子ビットの数学的分析を分子の構造の詳細に変換することもできます。 T彼の量子コンピューティングのステップは、互いに遠く離れた原子の間を確認できる可能性を秘めています。 チームメンバーのトム・オブライエンは言います。 「私たちはより長い分子定規を構築しているところです。」

研究チームは、Quantum Echoes に似たプロトコルを従来のスーパーコンピューターで実行すると、約 13,000 倍の時間がかかると見積もっています。彼らのテストでは、2 つの異なる量子コンピューターがそれぞれ量子エコーを実行して同じ結果を生成できることも示されましたが、これはチームが過去に擁護してきた一部の量子アルゴリズムには当てはまりませんでした。オブライエン氏は、これは量子ビットのエラー率の低下など、Willow のハードウェアの品質の急速な向上によって部分的に可能になったと述べています。

しかし、まだ改善の余地があります。研究者らが 2 つの有機分子に対して Willow と Quantum Echoes を使用したとき、一度に使用した量子ビットは最大 15 量子のみであり、計算結果は従来の非量子手法でも一致する可能性がありました。言い換えれば、チームは、Willow が従来の対応物よりも明確に実用的な利点があることをまだ証明していないということです。量子エコーのこの特定のアプリケーションのデモンストレーションは現在予備的なものであり、正式なピアレビュープロセスは受けていません。

「分子構造決定の問題は、非常に重要かつ関連性のある問題です」と、量子アルゴリズムを開発するドイツに拠点を置く会社、HQS Quantum Simulations の Keith Fratus 氏は言います。同氏は、NMRのような確立された技術と量子コンピューターで実行される計算との関連性を確立することは重要なステップだが、当面、この技術の有用性はおそらく生物学の高度に専門化された研究に限定されるだろうと述べている。

ニューヨーク大学のドリス・セルス氏によると、このチームの実験では大型の量子コンピューターが使用されており、同氏や同僚らがこれまで量子コンピューターでモデル化したものよりも複雑なNMRプロトコルと分子が考慮されているという。 「量子シミュレーションは、量子コンピュータの有望なユースケースの 1 つとしてよく引用されますが、産業的に興味深いケースの例は驚くほど少ないです。NMR のような分光学的データのモデル推論が役立つ可能性があると思います。」と彼は言います。 「私たちはまだそこに到達していないと思いますが、このような取り組みは、この問題を研究し続ける動機を与えてくれます。」

オブライエン氏は、チームが量子ビットの性能を向上させ続けるにつれて、量子エコーを NMR に適用することはさらに有用になるだろうと述べています。エラーが少なければ少ないほど、プロトコールに一度に使用できるエラーが多くなり、より大きな分子が考慮されるようになります。

それまでのところ、量子コンピューターの最適な用途の探求はまだ終わっていません。 Willow 上での Quantum Echoes の実行は実験的には非常に印象的ですが、それによって可能になる数学的分析は広範な用途には見出されそうにないとキングス カレッジ ロンドンのカート フォン キーザーリンク氏は述べています。同氏は、NMR専門家が数十年にわたって行ってきたことを決定的に打ち破るまでは、その主な魅力は量子システムの基礎研究に焦点を当てている物理理論家に向けられるだろうと述べている。そして、このプロトコルは完全に将来性があるわけではない可能性があります。フォン・キーザーリングク氏は、従来のコンピューティングがどのようにこのプロトコルと競合できるかについて、すでにアイデアを持っていると述べています。