Σύνοψη
- Η σύμπραξη των IBM, Cleveland Clinic και RIKEN οδήγησε στην επιτυχημένη προσομοίωση της πρωτεΐνης τρυψίνης (12.635 άτομα), χρησιμοποιώντας κβαντικό υλικό, καταρρίπτοντας το προηγούμενο όριο των μόλις 10 ατόμων.
- Το σύστημα βασίστηκε στην ετερογενή κβαντικο-κλασική υπολογιστική (HQC), αξιοποιώντας κλασικούς υπερυπολογιστές (Fugaku, Miyabi-G) για τη διάσπαση του μορίου και κβαντικούς επεξεργαστές (IBM Heron 156-qubit) για τους πολύπλοκους ενεργειακούς υπολογισμούς.
- Η νέα μέθοδος προσφέρει αύξηση της κλίμακας προσομοίωσης κατά 40 φορές και εντυπωσιακή βελτίωση της ακρίβειας κατά 210 φορές σε σχέση με τις κορυφαίες μεθόδους του προηγούμενου εξαμήνου.
- Η τεχνολογία αυτή στοχεύει στην επίλυση του θεμελιώδους προβλήματος της ανακάλυψης νέων φαρμάκων, επιτρέποντας στους ερευνητές να μελετούν με ακρίβεια τον τρόπο που τα υποψήφια φάρμακα συνδέονται με τις πρωτεΐνες-στόχους.
Η προσομοίωση μοριακών δομών σε ατομικό επίπεδο αποτελεί έναν από τους πιο απαιτητικούς τομείς της υπολογιστικής επιστήμης. Μέχρι πρότινος, οι ab initio μέθοδοι κυματικής συνάρτησης, αν και προσφέρουν εξαιρετική ακρίβεια, περιόριζαν την εφαρμογή τους σε εξαιρετικά μικρά συστήματα λόγω της εκθετικής αύξησης των υπολογιστικών απαιτήσεων. Το ορόσημο της προσομοίωσης μιας πρωτεΐνης 12.635 ατόμων από τις IBM, Cleveland Clinic και το ιαπωνικό ινστιτούτο RIKEN αποδεικνύει ότι το κβαντικό υλικό ωριμάζει σε ένα πρακτικό επιστημονικό εργαλείο.
Πώς λειτουργεί η Υβριδική Κβαντική Προσομοίωση της IBM;
Η IBM, σε συνεργασία με την Cleveland Clinic και το RIKEN, αξιοποίησε την αρχιτεκτονική της ετερογενούς κβαντικο-κλασικής υπολογιστικής (HQC). Κλασικοί υπερυπολογιστές διέσπασαν το σύμπλεγμα της πρωτεΐνης σε διαχειρίσιμα τμήματα μέσω κβαντικής ενσωμάτωσης, επιτρέποντας στους κβαντικούς επεξεργαστές Heron των 156-qubit να υπολογίσουν με απόλυτη ακρίβεια την κυματική συνάρτηση και τις ενεργειακές καταστάσεις για 12.635 άτομα.
Η υπολογιστική ροή εργασίας που αναπτύχθηκε για το συγκεκριμένο πείραμα λύνει το πρόβλημα της κλιμάκωσης. Σε ένα τυπικό κλασικό περιβάλλον, ένας υπολογισμός Hartree-Fock αυξάνεται εκθετικά σε πολυπλοκότητα, με κόστος O(M^3), όπου M είναι ο αριθμός των τροχιακών σε ολόκληρο το σύστημα. Το νέο μοντέλο χρησιμοποιεί μια διαδικασία «κβαντικής ενσωμάτωσης» για να αποσυνθέσει το αρχικό μόριο σε χιλιάδες μικρότερα, διαχειρίσιμα τμήματα.
Με αυτή την καινοτομία, η απαίτηση κλιμάκωσης μειώνεται δραματικά σε O(1) ανά τμήμα, επιτρέποντας την πλήρη παράλληλη επεξεργασία. Οι κλασικοί υπερυπολογιστές, όπως ο ιαπωνικός Fugaku και ο Miyabi-G, αναλαμβάνουν το τεράστιο βάρος του διαχωρισμού, ενώ τα υπολογιστικά δύσκολα προβλήματα της συσχέτισης των ηλεκτρονίων δρομολογούνται αποκλειστικά στους κβαντικούς επεξεργαστές Heron της IBM. Το αποτέλεσμα είναι μια ετερογενής υπολογιστική διαδικασία όπου το κάθε υποσύστημα αναλαμβάνει τον ρόλο στον οποίο υπερέχει.
Βασικά χαρακτηριστικά
- Κβαντικό Υλικό: Δύο κβαντικοί επεξεργαστές IBM Heron 156-qubit (ενεργοποίηση έως 94 qubits ταυτόχρονα).
- Κλασικό Υλικό: Υπερυπολογιστές Fugaku (RIKEN) και Miyabi-G (Πανεπιστήμια Τόκιο και Τσουκούμπα).
- Φόρτος Εργασίας: Εκτέλεση 9.200 κβαντικών κυκλωμάτων για περισσότερες από 100 ώρες, συλλέγοντας 1,3 δισεκατομμύρια μετρήσεις.
- Επίπεδο Ακρίβειας: Ενεργειακή αντιστοίχιση ακρίβειας Coupled-Cluster (CCSD), σημειώνοντας 210 φορές βελτίωση από τα προηγούμενα μοντέλα.
Ο ρόλος της τρυψίνης και η επιτάχυνση στην ανακάλυψη φαρμάκων
Η επιλογή της τρυψίνης, ενός ενζύμου κρίσιμου για την πέψη, ως μοντέλου δοκιμής, αποδεικνύει την ικανότητα του συστήματος να αναλύει αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-συνδέτη. Μετρώντας με ακρίβεια τις ενέργειες των τμημάτων, οι ερευνητές προβλέπουν πλέον ψηφιακά πώς θα δεσμευτεί ένα υποψήφιο φάρμακο στην πρωτεΐνη-στόχο, μειώνοντας τον χρόνο των εργαστηριακών δοκιμών.
Στη βιομηχανία της φαρμακολογίας, η διαδικασία κατανόησης του πώς ένα υποψήφιο φάρμακο αλληλεπιδρά με μια πρωτεΐνη αποτελεί το μεγαλύτερο εμπόδιο, απαιτώντας τεράστιους πόρους και αμέτρητες εργαστηριακές δοκιμές. Η ικανότητα κλιμάκωσης του HQC μοντέλου της IBM σε συμπλέγματα χιλιάδων ατόμων επιτρέπει την προσομοίωση μηχανισμών φαρμάκων, καταλυτών ενζύμων και άλλων μοριακών συμπεριφορών με ακρίβεια που μέχρι σήμερα ήταν αδύνατο να επιτευχθεί ψηφιακά. Η ομάδα μελέτης των IBM, RIKEN και Cleveland Clinic ανέφερε απόδοση παράλληλης επεξεργασίας 72,5% χρησιμοποιώντας κατανεμημένους πυρήνες γραμμικής άλγεβρας, καθιστώντας τις βιομοριακές προσομοιώσεις συστηματικά βελτιώσιμες.
Η παγκόσμια διάσταση στις κβαντικές υποδομές
Η επιτυχής εφαρμογή του πλαισίου "quantum-centric supercomputing" δεν αφορά μόνο τα ερευνητικά κέντρα των ΗΠΑ και της Ιαπωνίας. Η στρατηγική επιλογή της χρήσης κβαντικών επεξεργαστών ως επιταχυντών εντός ενός ευρύτερου κλασικού υπολογιστικού πλέγματος ταυτίζεται απόλυτα με το όραμα της Ευρωπαϊκής Κοινοπραξίας Υπολογιστικής Υψηλών Επιδόσεων (EuroHPC JU).
Στην Ελλάδα, η ανάπτυξη του επερχόμενου υπερυπολογιστή «Δαίδαλος», σε συνδυασμό με τις πανευρωπαϊκές προσπάθειες εγκατάστασης κβαντικών κόμβων (όπως η υποδομή LUMI-Q), δημιουργεί το κατάλληλο υπόβαθρο ώστε η εγχώρια ερευνητική κοινότητα να υιοθετήσει αντίστοιχες υβριδικές ροές εργασίας. Τα ελληνικά πανεπιστημιακά ιδρύματα και τα φαρμακευτικά ερευνητικά κέντρα δεν θα χρειάζεται να επενδύσουν στην αγορά αυτόνομων κβαντικών υπολογιστών. Αντίθετα, μέσω διασυνδεδεμένων δικτύων πρόσβασης, θα μπορούν να τρέχουν αλγορίθμους κβαντικής ενσωμάτωσης σε τοπικούς HPC κόμβους, αναθέτοντας το βαρύ κβαντικό φορτίο (το 1% του κώδικα που απαιτεί το 99% της επεξεργαστικής ισχύος) στο κεντρικό ευρωπαϊκό κβαντικό δίκτυο. Η άμεση μείωση του κόστους Έρευνας & Ανάπτυξης (R&D) και η βελτιστοποίηση της ανταγωνιστικότητας της ελληνικής φαρμακοβιομηχανίας αποτελούν τον πραγματικό αντίκτυπο αυτού του νέου υπολογιστικού υποδείγματος.
*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!
