Я стою перед квантовым компьютером, построенным из атомов и света, в Национальном центре квантовых вычислений Великобритании на окраине Оксфорда. На лабораторном столе сложная матрица из зеркал и линз окружает ячейку размером с кубик Рубика, в которой 100 атомов цезия подвешиваются в виде сетки с помощью тщательно управляемого лазерного луча.
Установка атома цезия настолько компактна, что я мог взять ее, вынести из лаборатории и положить на заднее сиденье машины, чтобы забрать домой. Хотя вряд ли я уйду очень далеко. Он маленький, но мощный — и поэтому очень ценный. Infleqtion, компания из Колорадо, которой она принадлежит, надеется, что возможности машины принесут выигрыш в 5 миллионов долларов на следующей неделе на мероприятии, которое пройдет в Марина-дель-Рей, Калифорния.
Infleqtion — одна из шести команд, прошедших в финальный этап 30-месячного конкурса квантовых вычислений под названием Quantum for Bio (Q4Bio). Целью проекта, проводимого некоммерческой организацией Wellcome Leap, является показать, что современные квантовые компьютеры, хотя они и запутаны, подвержены ошибкам и далеки от крупномасштабных машин, которые инженеры надеются создать, на самом деле могут принести пользу здоровью человека. Успех станет значительным шагом вперед в доказательстве ценности квантовых компьютеров. Но на данный момент оказывается, что эта ценность, по-видимому, связана с использованием и улучшением производительности обычных (также называемых классическими) компьютеров в тандеме, создавая квантово-классический гибрид, который может превзойти то, что возможно на классических машинах сами по себе.
Есть две призовые категории. Приз в размере 2 миллионов долларов будет доставлен всем командам, которые смогут запустить очень полезный алгоритм здравоохранения на компьютерах с 50 или более кубитами (кубит — это базовый процессор в квантовом компьютере). Чтобы выиграть главный приз в 5 миллионов долларов, команда должна успешно запустить квантовый алгоритм, который решает важную реальную проблему в здравоохранении, и в этой работе должно использоваться 100 или более кубитов. Победители должны соответствовать строгим критериям производительности и решить проблему здравоохранения, которую невозможно решить с помощью обычных компьютеров, а это непростая задача.
Несмотря на масштаб задачи, большинство команд считают, что часть этих денег может принадлежать им. «Думаю, мы добились хороших результатов», — говорит Джонатан Д. Херст, специалист по вычислительной химии из Ноттингемского университета, Великобритания. «Мы твердо соответствуем критериям премии в 2 миллиона долларов», — говорит Грант Роцкофф из Стэнфордского университета, чье сотрудничество исследует квантовые свойства молекулы АТФ, которая питает биологические клетки.
Главный приз, возможно, не столь надежен. «Это действительно на грани осуществимого», — говорит Роцкофф. Инсайдеры говорят, что задача настолько сложна, учитывая состояние технологии квантовых вычислений, что большая часть денег может остаться на счету Wellcome Leap.
Поскольку большая часть работ Q4Bio неопубликована и защищена соглашением о неразглашении, а область квантовых вычислений уже изобилует претензиями и встречными заявлениями о производительности и достижениях, только судьи смогут решить, кто прав.
Гибридное решение
Идея квантовых компьютеров заключается в том, что они могут использовать мелкомасштабные объекты, подчиняющиеся законам квантовой механики, такие как атомы и фотоны света, для моделирования реальных процессов, слишком сложных для моделирования на наших повседневных классических машинах.
Исследователи десятилетиями работали над созданием таких систем, которые могли бы дать представление о создании новых материалов, разработке фармацевтических препаратов и совершенствовании химических процессов, таких как производство удобрений. Но иметь дело с квантовыми вещами, такими как атомы, крайне сложно. Самые большие и блестящие приложения требуют огромных и надежных машин, способных противостоять «шуму» окружающей среды, который может очень легко разрушить хрупкие квантовые системы. У нас их пока нет — и неясно, когда появятся.
Компания Wellcome Leap хотела выяснить, можно ли заставить имеющиеся у нас сегодня машины меньшего размера делать что-то — что угодно — полезное для здравоохранения, пока мы ждем эры мощных, крупномасштабных квантовых компьютеров. Группа начала соревнование в 2024 году, предложив 1,5 миллиона долларов финансирования каждой группе из 12 выбранных команд.
Шесть финалистов Q4Bio применили разные подходы. Важно отметить, что все они придумали гениальные способы преодоления недостатков квантовых вычислений. Столкнувшись с шумными и ограниченными машинами, они научились переносить большую часть вычислительной нагрузки на классические процессоры, использующие недавно разработанные алгоритмы, которые во многих случаях лучше, чем предыдущие. В этом случае квантовые процессоры требуются только для тех частей задачи, где классические методы недостаточно хорошо масштабируются по мере увеличения объема вычислений.
Например, группа под руководством Сергея Стрельчука из Оксфордского университета использует квантовый компьютер для картирования генетического разнообразия среди людей и патогенов с помощью сложных графических структур. Это, как надеются исследователи, раскроет скрытые связи и потенциальные пути лечения. «Можно думать об этом как о платформе для решения сложных задач вычислительной геномики», — говорит Стрельчук.
Соответствующие классические инструменты с трудом справляются даже с скромным масштабированием больших баз данных. Команда Стрельчука создала автоматизированный конвейер, который позволяет определить, справятся ли классические решатели с конкретной проблемой, и как квантовый алгоритм сможет сформулировать данные так, чтобы они стали решаемыми на классическом компьютере или обрабатываемыми на зашумленном квантовом компьютере. «Вы можете сделать все это еще до того, как начнете тратить деньги на компьютеры», — говорит Стрельчук.
В сотрудничестве с клиникой Кливленда компания Algorithmiq из Хельсинки использовала сверхпроводящий квантовый компьютер, созданный IBM, для моделирования лекарства от рака, которое активируется определенными типами света. «Идея состоит в том, что вы принимаете препарат, и он повсюду в вашем теле, но он ничего не делает, просто сидит там, пока на него не попадет свет определенной длины волны», — говорит Гильермо Гарсиа-Перес, главный научный сотрудник Algorithmiq. Тогда он действует как молекулярная пуля, поражая опухоль только в том месте тела, куда направлен этот свет.
Препарат, с которым Algorithmiq начал свою работу, уже проходит II фазу клинических испытаний для лечения рака мочевого пузыря. Квантовое моделирование, которое адаптирует и совершенствует классические алгоритмы, позволит перепроектировать его для лечения других состояний. «Этот подход остался нишевым именно потому, что его невозможно смоделировать классически», — говорит Сабрина Манискалько, генеральный директор и соучредитель Algorithmiq.
Манискалько, который также уверен, что выйдет из конкурса с призовым фондом, считает, что методы, использованные для создания алгоритма, будут иметь широкое применение: «То, что мы сделали во время программы Q4Bio, — это нечто уникальное, что может изменить способ моделирования химии для здравоохранения и наук о жизни».
Разработка Infleqtion, работающая на машине с цезиевым питанием, представляет собой попытку улучшить выявление признаков рака в медицинских данных. Совместно с сотрудниками Чикагского университета и Массачусетского технологического института ученые компании разработали квантовый алгоритм, который анализирует огромные наборы данных, такие как Атлас генома рака.
Цель состоит в том, чтобы найти закономерности, которые позволят врачам определять такие факторы, как вероятное происхождение метастазирующего рака у пациента. «Очень важно знать, откуда оно взялось, потому что это может помочь выбрать лучшее лечение», — говорит Тиг Томеш, инженер квантового программного обеспечения, который является руководителем проекта Q4Bio в Infleqtion.
К сожалению, эти закономерности скрыты внутри настолько больших наборов данных, что они подавляют классические решатели. Infleqtion использует квантовый компьютер для поиска корреляций в данных, которые могут уменьшить размер вычислений. «Затем мы передаем уменьшенную задачу обратно классическому решателю», — говорит Тиг. «По сути, я пытаюсь использовать лучшее из своих квантовых и классических ресурсов».
Тем временем команда из Ноттингема использует квантовые вычисления, чтобы найти кандидата в лекарство, способное вылечить миотоническую дистрофию, наиболее распространенную форму мышечной дистрофии у взрослых. Один из членов команды, Дэвид Брук, сыграл роль в идентификации гена, ответственного за это состояние, в 1992 году. Более 30 лет спустя Брук, Херст и другие члены их группы, в которую входит QuEra, бостонская компания, разрабатывающая квантовый компьютер на основе нейтральных атомов, теперь с помощью квантовых вычислений выяснили, как лекарства могут образовывать химические связи с белком, вызывающим заболевание, блокируя механизм, вызывающий проблему.
Низкие ожидания
Доверие участников может быть высоким, но у Шихана Саджида гораздо ниже. Саджид, предприниматель в области квантовых вычислений из Ватерлоо, Онтарио, является программным директором Q4Bio. Он считает, что склонные к ошибкам квантовые машины, с которыми предстоит работать исследователям, вряд ли удовлетворят всем критериям главного приза. «С помощью шумного квантового компьютера очень сложно добиться чего-то, чего не может сделать классическая машина», — говорит он.
Тем не менее, он был удивлен прогрессом. «Когда мы запустили программу, люди не знали ни о каких случаях использования, когда квантовая энергия может определенно повлиять на биологию», — говорит он. Но команды нашли многообещающие применения, добавляет он: «Теперь мы знаем области, в которых квантовая энергия может иметь значение».
А разработки в области «гибридной квантово-классической» обработки, которые используют участники, являются «трансформационными», считает Саджид.
Будет ли этого достаточно, чтобы заставить его расстаться с деньгами Wellcome Leap? Это зависит от судейской коллегии, личности членов которой тщательно охраняются, чтобы гарантировать, что никто не адаптирует свою презентацию к определенному подходу. Но мы еще не скоро узнаем результат; Победитель или победители будут объявлены в середине апреля.
Если окажется, что победителей нет, Саджид найдет несколько слов утешения для участников. Целью всегда было запустить полезный алгоритм на существующей сегодня машине, отмечает он; промах не означает, что ваш алгоритм не будет полезен в будущем квантовом компьютере. «Это просто означает, что машины, которая вам нужна, еще не существует».