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Computer quantistici per simulare molecole e accelerare lo sviluppo di farmaci

Uno dei campi di applicazione degli attuali computer quantistici di IBM è quello della ricerca in campo farmacologico. Simulare il comportamento degli atomi, degli elettroni, dei legami chimici che uniscono gli atomi in molecole significa calcolare un numero enorme di possibilità, problemi che i supercomputer possono risolvere solo per approssimazione. Abhinav Kandala, ricercatore dell’IBM Research, sta usando computer quantistici per simulare molecole, processo che potrebbe aiutare a scoprire interessanti proprietà per un più rapido sviluppo di farmaci e nuovi materiali

Simulazione molecole con computer quantistici
Nicoletta Boldrini - @NicBoldrini

I computer quantistici sono fatti di qubit e sono governati dalle leggi della meccanica quantistica. Per questa ragione potrebbero riuscire a modellare altre particelle, atomi ed elettroni, che seguono le stesse leggi fisiche.

Abhinav KandalaNe è convinto Abhinav Kandala, ricercatore che sta sfruttando i computer quantistici per simulare molecole, un problema matematico che richiede enormi calcoli per le innumerevoli possibilità legate ai legami chimici che definiscono le molecole (sempre nell’ambito della chimica, nel centro di ricerca di Zurigo, i ricercatori di IBM hanno utilizzato l’intelligenza artificiale per la sintesi molecolare).

Abhinav Kandala è un fisico sperimentale e lavora all’IBM TJ Watson Research Center nel team dedicato al quantum computing; la sua ricerca si è concentrata sulla coerenza e il controllo dei qubit superconduttori, la caratterizzazione dei dispositivi multi-qubit e le applicazioni dei computer quantistici a breve termine. Kandala ha ricevuto diversi riconoscimenti per aver dimostrato sperimentalmente la simulazione molecolare più complessa su un hardware quantistico. Il suo lavoro più recente si è concentrato sulla mitigazione degli errori per i calcoli eseguiti su processori quantistici rumorosi, ma nel 2017 è riuscito a simulare l’idruro di berillio a tre atomi, la molecola più grande modellata attraverso un computer quantistico.

La struttura molecolare dell’idruro di berillio è piuttosto articolata e la comprensione di reazioni chimiche complesse, come accennato, richiede enormi calcoli. Kandala ed il team di scienziati che lavorano nel centro di New York hanno identificato un nuovo approccio per simulare molecole su un computer quantistico utilizzando un processore quantistico a sette qubit (utilizzandone poi nello specifico solo sei). Il risultato nell’affrontare il problema della struttura molecolare dell’idruro di berillio fa ipotizzare ai ricercatori di riuscire – in tempi non troppo lunghi – a trovare applicazioni pratiche dell’utilizzo dei computer quantistici nella simulazione delle molecole come la creazione di nuovi materiali, lo sviluppo di farmaci personalizzati e la scoperta di fonti di energia più efficienti e sostenibili.

Secondo Kandala, riconosciuto dal MIT come uno dei 35 innovatori under 35 più influenti, la simulazione di molecole potrebbe arrivare ad essere una delle “applicazioni killer” del quantum computing.

La simulazione della struttura molecolare dell’idruro di berillio può essere effettuata anche con computer classici, tuttavia, l’aver dimostrato come poterla elaborare tramite processori quantistici apre la strada a verso lo studio di molecole più grandi che tradizionalmente sarebbero considerati problemi troppo complessi per l’ambito dei metodi computazionali classici. I ricercatori sono infatti riusciti a sviluppare degli algoritmi che hanno consentito di risolvere il problema sfruttando un’ottimizzazione dell’hardware (i processori quantistici).

La ricerca è stata pubblicata su Nature. Le altre pubblicazioni scientifiche di Abhinav Kandala disponibili sul sito dell’IBM Research Center.

L’idea dei ricercatori è quindi continuare a lavorare su questa strada per riuscire ad estrarre la massima potenza computazionale quantistica per risolvere problemi che diventano esponenzialmente più difficili per i computer classici. Poiché gli stati quantistici sono fragili, i computer quantistici sono soggetti a errori la cui compensazione  avviene aumentando i qubit stessi. I sistemi attuali, però, sono costituiti solo da decine di qubit, non abbastanza per creare un computer quantistico con tolleranza agli errori.

Kandala e gli scienziati dell’IBM Research Center di New York hanno dimostrato in che modo “sfruttare gli errori” per aumentare la precisione dei calcoli senza aumentare il numero di qubit. Gli esperimenti portati avanti dal 2017 ad oggi vanno nella direzione della mitigrazione degli errori che estende la portata computazionale dei processori quantistici.

I dettagli sul paper scientifico pubblicato dal team dell’ IBM T.J. Watson Research Center su arXiv.org (l’archivio delle bozze definitive di articoli scientifici in fisica, matematica, informatica, finanza quantitativa e biologia, accessibile liberamente via Internet) >> https://arxiv.org/pdf/1805.04492.pdf

 

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