Niespotykane zastosowanie komputerów kwantowych

Modelowanie molekularne pozwala na opracowywanie nowoczesnych leków i tworzyw. Polacy wykorzystują je do opracowywania nowoczesnych nośników leków. Użycie zaawansowanych metod obliczeniowych pozwala na znaczne zmniejszenie kosztów poszukiwania i tworzenia nowych substancji, przeprowadzenie testów ich właściwości czy zbadanie wpływu na człowieka oraz środowisko. Wykorzystanie komputerów kwantowych pozwala na symulacje coraz większych molekuł. Przy użyciu procesora kwantowego naukowcy zasymulowali największą w historię cząsteczkę – wodorku berylu.


 

Naukowcom IBM udało się zasymulować największą w historii molekułę – wodorku berylu. Dokonano tego za pomocą procesora kwantowego złożonego z siedmiu kubitów. Kubit to kwantowa bramka logiczna, różniąca się od klasycznego bitu, który przyjmuje jedną z dwóch wartości – zero lub jeden. Kwantowy bit może mieć wartość zera, jedynki lub być kwantową superpozycją zera i jedynki, zatem jego potencjał w obliczeniach jest nieporównywalnie większy. Problemem pozostaje kontrola nad nim. Naukowcy są przekonani, że w przyszłości będą mogli symulować coraz większe molekuły.

 

– Modelowanie molekularne można zdefiniować jako próbę odtworzenia świata rzeczywistego i zjawisk w nim panujących na komputerze w celu zbadania właściwości oraz przebiegu tych zjawisk. Możemy wykorzystać je do badania dyfuzji związków, do adsorpcji jakiegoś związku na danej powierzchni lub do badania przebiegu reakcji chemicznych – wyjaśnia Dawid Capała, prezes Koła Naukowego „BaNG” z Politechniki Wrocławskiej.

 

W maju 2017 roku uruchomiono platformę IBM Q do przetwarzania w chmurze, która udostępnia naukowcom i programistom moc obliczeniową procesora kwantowego, zbudowanego z 16 kubitów, czyli kwantowych bitów. Dostęp do ogromnej mocy obliczeniowej można uzyskać za pomocą zwykłego komputera, a nawet smartfona. Zdaniem ekspertów z IBM komputer kwantowy wykorzystujący 50–100 kubitów może zostać zbudowany w ciągu dekady.


 

 


– Ograniczeniem tej metody jest nasza wyobraźnia i możliwości obliczeniowe dostępnego sprzętu. Większe obliczenia wykonywane są na superkomputerach i jedynie to nas ogranicza – im większy układ, im więcej cząsteczek w układzie, tym dłuższy będzie czas obliczeń – twierdzi Dawid Capała.

 

Jak dowiadujemy się z tegorocznego raportu firmy Grand View Research, rynek technik biologii strukturalnej i modelowania molekularnego w 2025 roku będzie wart 13,1 mld dol. Głównym motorem napędowym tego rynku według badaczy jest coraz większa liczba osób prowadzących niezdrowy tryb życia. Z raportu Narodowego Instytutu Zdrowia Publicznego wynika, że w krajach UE problem nadwagi lub otyłości dotyczy ponad 60 proc. mężczyzn i ponad 50 proc. kobiet. W Polsce te wskaźniki są jeszcze wyższe, gdyż dotyczą 68 proc. mężczyzn i 60 proc. kobiet. W efekcie zwiększa się liczba zachorowań na takie choroby jak nowotwory czy cukrzyca

 

Zapotrzebowanie na coraz szersze wykorzystywanie technik modelowania molekularnego jest coraz większe. Za upowszechnianiem tych technik przemawiają przede wszystkim olbrzymie oszczędności, jakie zapewniają w porównaniu z tradycyjnymi metodami opracowywania leków.
– Modelowanie molekularne pozwala na duże obniżenie kosztów badawczych, ponieważ możemy mniej więcej ten sam proces przeprowadzić na komputerze, przy dużo niższym nakładzie środków. Możemy wyznaczyć ścieżkę, którą będziemy chcieli podążyć, już w badaniach eksperymentalnych przeprowadzonych w laboratorium – przekonuje ekspert.

 

Gdy w wyniku teoretycznych obliczeń na komputerze uzyskamy cząstkę, która spełnia nasze wymagania, przychodzi czas na jej syntezę laboratoryjną i zbadanie drogą eksperymentów jej właściwości. Badacze z koła naukowego BaNG z Politechniki Wrocławskiej wykorzystują technikę modelowania molekularnego do badania właściwości hydrożeli, które mogą być doskonałym nośnikiem leków.

 

– Wszystko, co da się zamodelować molekularnie, można zsyntezować później w laboratorium. Trzeba tylko wybrać odpowiednią metodę, a modelowanie molekularne skraca ścieżkę od początkowej substancji do możliwości uzyskania lekko zmodyfikowanej, ponieważ badamy właściwości tej substancji w krótszym czasie, przy wykorzystaniu mniejszych środków, np. finansowych i zasobów ludzkich – tłumaczy Dawid Capała.

 

Komputery kwantowe i wykonywane z ich pomocą modelowanie molekularne może się stać przełomem w wielu dziedzinach, takich jak leki, sztuczna inteligencja czy materiały przemysłowe.