Kenneth Merz, Ph.D., du Centre pour les sciences de la vie informatique de Cleveland Clinic et une équipe explore comment les ordinateurs quantiques peuvent travailler avec les supercalculateurs pour mieux simuler le comportement des molécules.
La simulation de stabilité et de comportement de grande molécule nécessite plus de temps et de puissance que ce qui est possible sur le supercalculateur le plus avancé. Le Dr Merz et son équipe ont développé une stratégie pour surmonter cette barrière en combinant la puissance d'un ordinateur quantique avec la précision d'un supercalculateur dans une étude publiée dans le Journal of Chemical Theory and Computation.
« Les ordinateurs quantiques de l'état actuel sont extrêmement puissants, mais ils n'ont pas encore de capacités de correction d'erreur », explique le Dr Merz. « En combinant la puissance d'un ordinateur quantique avec les capacités de correction d'erreur d'un supercalculateur, nous pouvons commencer à simuler et à prédire comment les molécules se comportent améliorant notre capacité à comprendre et à traiter la maladie. »
Les superordinateurs ont des millions de processeurs qui peuvent travailler sur différentes parties d'un problème en même temps. Cette capacité est essentielle pour un processus connu sous le nom de calcul haute performance, qui exécute plusieurs tâches simultanément sur plusieurs ordinateurs ou processeurs.
Pour ce projet, l'informatique haute performance a été utilisée pour effectuer une technique avancée connue sous le nom de théorie de l'intégration de la matrice de densité, qui décompose les grandes molécules complexes en pièces plus petites et gérables que les chercheurs peuvent étudier en détail.
Une fois que les molécules sont décomposées en pièces plus petites, les chercheurs peuvent calculer l'énergie à l'état fondamental, ou l'énergie la plus faible possible qu'une molécule peut atteindre. L'énergie à l'état fondamental prédit la stabilité des molécules et les interactions potentielles avec d'autres substances.
Le Dr Merz et son équipe ont utilisé IBM Quantum System One situé sur place sur le campus principal de la Cleveland Clinic pour une technique appelée diagonalisation quantique basée sur des échantillons. Pour commencer, les chercheurs utilisent l'ordinateur quantique pour terminer les calculs complexes nécessaires pour déterminer les différentes configurations d'électrons possibles pour les pièces de la molécule. L'ordinateur quantique prend ensuite des échantillons des différentes configurations possibles qui sont ensuite renvoyées au supercalculateur pour combiner les résultats et terminer l'analyse finale.
L'équipe a testé sa méthode de calcul hybride sur un cycle d'hydrogène de 18 atomes et du cyclohexane. Le modèle n'a pas seulement été en mesure de prédire correctement la stabilité relative des molécules – il l'a fait en utilisant moins de qubits que ce qui serait nécessaire pour faire toute la simulation sur un ordinateur quantique seul.
« Il s'agit d'une étape révolutionnaire dans la recherche informatique qui montre à quel point les ordinateurs quantiques à court terme peuvent faire progresser la recherche biomédicale », explique le Dr Merz.
