Μια ιστορική επιστημονική συνεργασία ανάμεσα στην IBM, την Cleveland Clinic και το ιαπωνικό ινστιτούτο RIKEN οδήγησε σε ένα πρωτοφανές ορόσημο για την κβαντική υπολογιστική: την επιτυχή προσομοίωση μιας πρωτεΐνης τρυψίνης αποτελούμενης από 12.635 άτομα. Το επίτευγμα αυτό καταρρίπτει ολοκληρωτικά το προηγούμενο παγκόσμιο όριο των μόλις 10 ατόμων για τέτοιου είδους υπολογισμούς ab initio, αποδεικνύοντας έμπρακτα ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μετατρέπονται πλέον από θεωρητικά πειραματικά συστήματα σε πανίσχυρα και πρακτικά εργαλεία για την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα.
Η Αρχιτεκτονική της Υβριδικής Κβαντικής Προσομοίωσης (HQC)
Η προσομοίωση τόσο μεγάλων και περίπλοκων βιολογικών δομών σε ατομικό επίπεδο θεωρούνταν μέχρι σήμερα υπολογιστικά αδύνατη. Οι κλασικές μέθοδοι κυματικής συνάρτησης απαιτούν εκθετικά αυξανόμενους πόρους, καθιστώντας τις ανέφικτες για οτιδήποτε μεγαλύτερο από μερικά μόρια. Για να ξεπεράσει αυτό το ανυπέρβλητο εμπόδιο, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια νέα προσέγγιση βασισμένη στην ετερογενή κβαντικο-κλασική υπολογιστική (Heterogeneous Quantum-Classical Computing - HQC).
Στο πλαίσιο αυτής της υβριδικής ροής εργασίας, κλασικοί υπερυπολογιστές, όπως ο κορυφαίος ιαπωνικός Fugaku (RIKEN) και ο Miyabi-G, ανέλαβαν να διασπάσουν τη σύνθετη δομή της πρωτεΐνης σε χιλιάδες μικρότερα και ευκολότερα διαχειρίσιμα τμήματα μέσω μιας μεθόδου «κβαντικής ενσωμάτωσης». Με τον τρόπο αυτό, η πολυπλοκότητα των υπολογισμών μειώθηκε δραματικά σε O(1) ανά τμήμα, επιτρέποντας την πλήρη παράλληλη επεξεργασία τους.
Στη συνέχεια, οι πλέον απαιτητικοί υπολογισμοί της συσχέτισης των ηλεκτρονίων και των ενεργειακών καταστάσεων ανατέθηκαν σε δύο υπερσύγχρονους κβαντικούς επεξεργαστές IBM Heron των 156 qubits ο καθένας, με ταυτόχρονη ενεργοποίηση έως και 94 qubits. Η συνδυασμένη αυτή ισχύς επέτρεψε την εκτέλεση 9.200 κβαντικών κυκλωμάτων για περισσότερες από 100 ώρες συνεχούς λειτουργίας, συγκεντρώνοντας συνολικά 1,3 δισεκατομμύρια φυσικές μετρήσεις. Το αποτέλεσμα ήταν μια ενεργειακή αντιστοίχιση εξαιρετικής ακρίβειας Coupled-Cluster (CCSD), η οποία προσφέρει 210 φορές μεγαλύτερη ακρίβεια σε σύγκριση με τις κορυφαίες μεθόδους του προηγούμενου εξαμήνου.
Επαναστατώντας στην Ανακάλυψη Νέων Φαρμάκων
Η επιλογή της τρυψίνης —ενός θεμελιώδους ενζύμου για τη διαδικασία της πέψης— ως μοντέλου δοκιμής δεν ήταν τυχαία. Η προσομοίωση αυτή αποδεικνύει την ικανότητα του συστήματος να αναλύει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών και συνδετών, επιτρέποντας στους επιστήμονες να προβλέπουν ψηφιακά πώς θα συνδεθεί ένα υποψήφιο φάρμακο στην πρωτεΐνη-στόχο.
Όπως χαρακτηριστικά αναφέρουν οι ερευνητές της IBM, «η ικανότητα κλιμάκωσης του HQC μοντέλου σε συμπλέγματα χιλιάδων ατόμων ανοίγει τον δρόμο για την ψηφιακή προσομοίωση μηχανισμών φαρμάκων, καταλυτών ενζύμων και άλλων μοριακών συμπεριφορών με ακρίβεια που μέχρι σήμερα ήταν αδιανόητη». Η επίτευξη παράλληλης υπολογιστικής απόδοσης 72,5% με τη χρήση κατανεμημένων πυρήνων γραμμικής άλγεβρας καθιστά τις βιομοριακές προσομοιώσεις συστηματικά βελτιώσιμες και άμεσα αξιοποιήσιμες από τη βιομηχανία της φαρμακολογίας, μειώνοντας δραματικά το κόστος και τον χρόνο των εργαστηριακών δοκιμών.
Ο Αντίκτυπος για τις Ελληνικές Ερευνητικές Υποδομές
Η επιτυχία αυτής της προσέγγισης, η οποία αντιμετωρίζεται ως "quantum-centric supercomputing" (κβαντοκεντρική υπερυπολογιστική) χρησιμοποιώντας κβαντικούς επεξεργαστές ως επιταχυντές εντός ενός κλασικού υπολογιστικού δικτύου, ευθυγραμμίζεται απόλυτα με το όραμα της Ευρωπαϊκής Κοινοπραξίας Υπολογιστικής Υψηλών Επιδόσεων (EuroHPC JU).
Στην Ελλάδα, η επικείμενη εγκατάσταση και λειτουργία του υπερυπολογιστή «Δαίδαλος», σε συνδυασμό με τις ευρωπαϊκές υποδομές κβαντικών κόμβων όπως το δίκτυο LUMI-Q, προσφέρει ένα μοναδικό παράθυρο ευκαιρίας. Η εγχώρια ερευνητική και φαρμακευτική κοινότητα δεν χρειάζεται να επενδύσει δισεκατομμύρια στην απόκτηση αυτόνομων κβαντικών συστημάτων. Αντίθετα, μέσω υβριδικών δικτύων πρόσβασης, οι Έλληνες επιστήμονες θα μπορούν να εκτελούν τοπικά στους HPC κόμβους τους αλγορίθμους κβαντικής ενσωμάτωσης και να αναθέτουν το εξαιρετικά βαρύ κβαντικό φορτίο —δηλαδή το 1% του κώδικα που απαιτεί το 99% της επεξεργαστικής ισχύος— στην κεντρική ευρωπαϊκή κβαντική υποδομή. Αυτή η στρατηγική μπορεί να μειώσει θεαματικά το κόστος Έρευνας και Ανάπτυξης (R&D) για την ελληνική φαρμακοβιομηχανία, ενισχύοντας καθοριστικά την ανταγωνιστικότητά της σε παγκόσμιο επίπεδο.