Computadores quânticos simulam suas maiores moléculas – com ajuda

Um dos usos mais promissores dos computadores quânticos é simular proteínas que poderiam nos ajudar a descobrir novos medicamentos, mas atualmente esses dispositivos são muito propensos a erros para realizar essa tarefa. No entanto, dois computadores quânticos quebraram agora o recorde de simulação – determinando as propriedades de uma molécula com 12.635 átomos – com a ajuda de supercomputadores.

Para compreender o comportamento das moléculas de medicamentos, precisamos conhecer seus estados quânticos e energias eletrônicas, que são problemas quânticos que muitas vezes só podem ser resolvidos com computadores convencionais.

A colaboração entre pesquisadores da Clínica Cleveland em Ohio, a empresa de tecnologia americana IBM e o instituto científico japonês RIKEN voltou-se para computadores quânticos, que “falam” física quântica por padrão. Eles desenvolveram uma abordagem híbrida que combina um computador quântico e um supercomputador convencional e os usou para simular duas moléculas de tamanho sem precedentes, com uma molécula sendo cerca de 40 vezes maior do que a maior molécula anterior simulada usando um computador quântico.

“Este era o meu sonho e aqui estamos”, disse o membro da equipe Kenneth Merz na Clínica Cleveland.

Os pesquisadores usaram dois computadores quânticos IBM Heron, um localizado na RIKEN e outro na Cleveland Clinic, além de dois supercomputadores chamados Fugaku e Miyabi-G, que estão entre os mais poderosos do mundo. Para as suas moléculas, a equipa escolheu duas combinações de proteínas e pequenas moléculas, ou “complexos proteína-ligando”, que, segundo Merz, foram bem estudados e são populares como exemplos fundamentais na ciência biomédica. A equipa também simulou-o em camadas de água, pelo que os resultados imitam de perto a forma como os investigadores trabalham com moléculas no laboratório.

Os próprios computadores quânticos têm actualmente uma utilidade limitada devido ao seu tamanho relativamente pequeno – limitando assim o poder de computação – e à sua tendência para cometer erros. Assim, a equipe dividiu o trabalho de simulação molecular entre quatro máquinas, utilizando computadores quânticos apenas para calcular propriedades específicas de alguns fragmentos moleculares. A saída foi então entregue a um supercomputador e todos os cálculos foram realizados entre os dois tipos de computadores por mais de 100 horas. Ainda assim, a equipe acredita que o processo é mais rápido do que seria sem o hardware quântico, disse ele. Jerry Chow na IBM. Estas simulações também estimam a energia mais baixa da molécula com uma precisão que rivaliza com alguns métodos padrão, embora ainda não seja verdadeiramente superior.

Junyu Liu da Universidade de Pittsburgh, na Pensilvânia, diz que a equipe oferece algo que é difícil de conseguir: a saber, etapas práticas em direção à computação quântica útil usando hardware que é realmente usado. Ele acrescentou que “a escala desta experiência é verdadeiramente impressionante”.

Liu também disse que a nova abordagem deveria ser promovida como uma forma de tornar os computadores quânticos úteis antes mesmo de se tornarem à prova de erros. No entanto, se os métodos híbridos podem sempre garantir um desempenho superior – superioridade quântica – podem ser comprovados em termos matemáticos rigorosos, ainda é uma questão em aberto, disse ele.

Chow disse que embora a pesquisa atual sugira que o hardware quântico pode ser superior em algumas partes do cálculo, as novas notas de simulação são apenas um primeiro passo e não um passo definitivo. “Há uma onda que está impulsionando os esforços para alcançar o que pode ser feito”, disse ele. “Para mim, o mais emocionante é que isso está apenas começando.”