Kuantum hesaplama son 30 yıldır "pratik uygulamalardan 10 yıl uzaktaydı". Bu şakanın nihayet bir son kullanma tarihi olabilir. IBM, Pfizer ve MIT'deki araştırmacılar arasındaki işbirliği, ilk kesin olarak pratik kuantum hesaplama uygulamasını ortaya çıkardı: klasik bilgisayarlar için mümkün olmayan bir ölçekte ve hızda ilaç keşfi.
Sorun
İlaç keşfi temelde bir moleküler simülasyon problemidir. Belirli bir protein hedefine (örneğin Alzheimer hastalığıyla ilişkili amiloid plaklara) bağlanacak bir molekül bulmak için binlerce aday moleküldeki elektronların kuantum mekaniksel davranışını simüle etmeniz gerekir. Klasik bilgisayarlar bu simülasyona yakındır; kuantum bilgisayarlar bunu tam olarak gerçekleştirebilir.
Sonuç
IBM'in 4.000 kübitlik Condor 2 işlemcisi üzerinde çalışan ekibin algoritması, 72 saat içinde Alzheimer'ın hedef proteinine karşı 847.000 aday molekülü taradı. Tahmin edilen bağlanma afiniteleri mevcut herhangi bir ilaçtan önemli ölçüde daha yüksek olan üç aday belirledi. Klasik süper bilgisayarların aynı hesaplamayı yapması tahminen 40 yıla ihtiyaç duyuyordu.
Klinik Araştırmalara Giden Yol
Üç aday şu anda moleküllerin sentezlenmesi ve hücre kültürlerinde ve hayvan modellerinde test edilmesi süreci olan laboratuvar doğrulama sürecine giriyor. Bunlardan herhangi biri bu süreçten sağ çıkarsa, üç yıl içinde insanlar üzerinde yapılan klinik deneylere girebilecek. Kuantum algoritması, on yıl sürecek bir hesaplama çalışmasını üç güne sıkıştırdı.
Sırada Ne Var?
IBM ve Pfizer, birden fazla hastalık alanında ilaç keşfine kuantum bilişimin uygulanması için beş yıllık bir ortaklık duyurdu. Diğer ilaç firmaları da yakından izliyor. Kuantumla hızlandırılmış ilaç keşfi dönemi başlıyor olabilir.
Daha Geniş İlaç Keşif Hattı
Kuantum algoritması tarafından belirlenen üç Alzheimer adayı artık standart ilaç geliştirme hattına giriyor. Moleküllerin sentezlenmesi ve hücre kültürlerinde test edilmesi anlamına gelen laboratuvar doğrulaması yaklaşık 12-18 ay sürer. Hayvan modeli testi 12-24 ay daha sürer. Herhangi bir aday bu aşamalardan sağ çıkabilirse, Aşama I insan güvenliği denemeleri 2029 gibi erken bir tarihte başlayabilir. Kuantum algoritması, hesaplamalı keşif aşamasını onlarca yıldan günlere sıkıştırdı, ancak biyolojik doğrulama hattı değişmeden kaldı.
Diğer Hastalık Hedefleri
IBM-Pfizer işbirliği, kuantum simülasyonunun keşfi hızlandırabileceği başka hastalık alanları da belirledi. Hedef proteinin (alfa-sinüklein) klasik olarak simüle edilmesi zor olan karmaşık bir katlanma davranışına sahip olduğu Parkinson hastalığı bir önceliktir. Antibiyotik direnci (zorluğun, direnç mekanizmalarını tetiklemeden bakteriyel proteinlere bağlanan moleküller tasarlamak olduğu yer) bir diğeridir. Ortak nokta moleküler karmaşıklıktır: klasik simülasyonda hedef proteinin kuantum mekaniksel davranışının sınırlayıcı faktör olduğu hastalıklar.
Donanım Yol Haritası
IBM'in kuantum yol haritası, 2028 yılına kadar 10.000 kübitlik sistemleri ve 2033 yılına kadar 100.000 kübitlik sistemleri öngörüyor. Her nesil donanım iyileştirmesi, tam olarak simüle edilebilecek moleküllerin aralığını genişletiyor. Bu çalışmada kullanılan 4.000 kübitlik Condor 2 işlemci, hâlihazırda tam olarak 50'ye kadar ağır atom içeren molekülleri simüle etme kapasitesine sahiptir; bu, ilaç benzeri moleküllerin önemli bir kısmını kapsayan bir eşiktir. 10.000 kübitlik nesil, bunu farmasötik hedeflerin büyük çoğunluğunu kapsayan 150'ye kadar ağır atom içeren moleküllere genişletecek.
İlaç Keşfinin Ötesinde
İlaç keşfi ilk pratik kuantum hesaplama uygulamasıdır, ancak sonuncusu olması pek olası değildir. Malzeme bilimi, kuantum simülasyonunun dönüştürücü olabileceği başka bir alandır. Elektrikli araçlar için yeni pil kimyaları, güç aktarımı için yeni süper iletken malzemeler ve endüstriyel kimyasal işlemler için yeni katalizörler tasarlamanın tümü, kuantum bilgisayarların üstün olduğu aynı türden moleküler simülasyonu içerir.
Finansal optimizasyon başka bir yakın vadeli uygulamadır. Portföy risk modellemesi, opsiyon fiyatlandırması ve dolandırıcılık tespitinin tümü, kuantum bilgisayarların prensipte klasik alternatiflerden daha hızlı çözebileceği optimizasyon problemlerini içerir. Aralarında Goldman Sachs, JPMorgan ve HSBC'nin de bulunduğu birçok büyük bankanın bu uygulamaları hedefleyen aktif kuantum hesaplama araştırma programları var.
Klasik Bilgi İşlem Yanıtı
Klasik bilgi işlem yerinde durmuyor. Tensör ağı yöntemleri, sinir ağı kuantum durumları ve diğer klasik yaklaşım teknikleri, klasik donanım üzerinde kuantum sistemlerini simüle etme yeteneğini önemli ölçüde geliştirmiştir. Bazı moleküler sistemler için bu klasik yöntemler artık eski kuantum bilgisayarların yapabilecekleriyle eşleşiyor veya onları aşıyor. Kuantum ve klasik simülasyon arasındaki rekabet devam ediyor ve kuantum bilgisayarların pratikte yararlı problemler için açık bir avantaj sağladığı geçiş noktası hala oluşturuluyor.