После 30 месяцев быстрых инноваций в квантовых алгоритмах шесть исследовательских групп надеются выиграть большой приз. Но может быть только один крупный победитель — если вообще найдется победитель.

Я стою перед квантовым компьютером, собранным из атомов и света, в Национальном центре квантовых вычислений Великобритании на окраине Оксфорда. На лабораторном столе сложная система зеркал и линз окружает ячейку размером с кубик Рубика, в которой 100 атомов цезия удерживаются в сетчатом построении с помощью тщательно управляемого лазерного луча.

Установка с атомами цезия настолько компактна, что я мог бы поднять ее, вынести из лаборатории и положить на заднее сиденье машины, чтобы забрать домой. Но я вряд ли уеду далеко. Она небольшая, но мощная — и поэтому очень ценная. Компания Infleqtion из Колорадо, которой она принадлежит, надеется, что возможности машины помогут ей выиграть 5 миллионов долларов на следующей неделе на мероприятии в Марина-дель-Рей, Калифорния.

Infleqtion — одна из шести команд, которые вышли в финал 30-месячного конкурса квантовых вычислений под названием Quantum for Bio (Q4Bio). Конкурс организован некоммерческой организацией Wellcome Leap и направлен на то, чтобы показать, что современные квантовые компьютеры, хотя они ненадежны и подвержены ошибкам и далеки от крупномасштабных машин, которые надеются построить инженеры, могут принести реальную пользу человеческому здоровью. Успех был бы значительным шагом вперед в доказательстве целесообразности квантовых компьютеров. Но пока что выясняется, что эта целесообразность, похоже, связана с использованием и улучшением производительности обычных (также называемых классическими) компьютеров в тандеме, создавая квантово-классический гибрид, который может превзойти то, что возможно только на классических машинах.

Есть две категории премий. Премия в размере 2 миллионов долларов перейдет к любым и всем командам, которые смогут запустить значительно полезный алгоритм здравоохранения на компьютерах с 50 или более кубитами (кубит — это базовая единица обработки в квантовом компьютере). Чтобы выиграть главный приз в размере 5 миллионов долларов, команда должна успешно запустить квантовый алгоритм, решающий значительную реальную проблему в здравоохранении, и работа должна использовать 100 или более кубитов. Победители должны соответствовать строгим критериям производительности, и они должны решить проблему здравоохранения, которую невозможно решить обычными компьютерами — это сложная задача.

Несмотря на масштабы задачи, большинство команд думают, что могут получить часть этих денег. «Я думаю, у нас есть хорошие шансы», — говорит Джонатан Д. Хёрст, вычислительный химик из Ноттингемского университета, Великобритания. «Мы очень твердо находимся в пределах критериев для премии в 2 миллиона долларов», — говорит Грант Ротскоф из Стэнфордского университета, чье сотрудничество исследует квантовые свойства молекулы АТФ, которая питает биологические клетки.

Главный приз, возможно, менее надежен. «Это действительно на самом краю возможного», — говорит Ротскоф. Инсайдеры говорят, что задача настолько сложна, учитывая текущее состояние технологии квантовых вычислений, что большая часть денег может остаться на счете Wellcome Leap.

Поскольку большинство работ Q4Bio не опубликовано и защищено соглашениями о неразглашении, а область квантовых вычислений уже переполнена заявлениями и контрзаявлениями о производительности и достижениях, только судьи смогут решить, кто прав.

Гибридное решение

Идея квантовых компьютеров заключается в том, что они могут использовать малые объекты, которые подчиняются законам квантовой механики, такие как атомы и фотоны света, для моделирования реальных процессов, слишком сложных для моделирования на наших обычных классических машинах.

Исследователи работают над созданием таких систем уже десятилетиями, которые могли бы дать представление о создании новых материалов, разработке фармацевтических препаратов и совершенствовании химических процессов, таких как производство удобрений. Но работать с квантовыми объектами, такими как атомы, чрезвычайно сложно. Самые крупные и блестящие приложения требуют огромных, надежных машин, способных выдерживать экологический «шум», который может очень легко нарушить нежные квантовые системы. У нас их еще нет — и неясно, когда они появятся.

Wellcome Leap хотела узнать, смогут ли машины меньшего размера, которые у нас есть сегодня, выполнить что-то — что угодно — полезное для здравоохранения, пока мы ждем эры мощных крупномасштабных квантовых компьютеров. Организация начала конкурс в 2024 году, предложив финансирование в размере 1,5 миллиона долларов каждой из 12 выбранных групп.

Шесть финалистов Q4Bio применили различные подходы. Важно отметить, что все они придумали остроумные способы преодолеть недостатки квантовых вычислений. Сталкиваясь с ненадежными ограниченными машинами, они научились выносить большую часть вычислительной нагрузки на классические процессоры, работающие на вновь разработанных алгоритмах, которые во многих случаях лучше, чем предыдущее состояние искусства. Квантовые процессоры затем требуются только для частей проблемы, где классические методы не масштабируются достаточно хорошо по мере усложнения вычислений.

Например, команда во главе с Сергеем Стельчуком из Оксфордского университета использует квантовый компьютер для отображения генетического разнообразия между людьми и патогенами на сложных графических структурах. Это, как надеются исследователи, выявит скрытые связи и потенциальные пути лечения. «Вы можете думать об этом как о платформе для решения сложных проблем в вычислительной геномике», — говорит Стельчук.

Соответствующие классические инструменты с трудом справляются даже со скромным масштабированием до крупных баз данных. Команда Стельчука создала автоматизированный конвейер, который предоставляет способ определить, с какими проблемами классические решатели будут испытывать трудности и как квантовый алгоритм может сформулировать данные так, чтобы они становились разрешимыми на классическом компьютере или управляемыми на шумном квантовом компьютере. «Вы можете сделать все это еще до того, как начнете тратить деньги на вычисления», — говорит Стельчук.

В сотрудничестве с Кливленд Клиник финский Algorithmiq использовал сверхпроводящий квантовый компьютер, разработанный IBM, для имитации противораковой лекарства, которая запускается светом определенного типа. «Идея в том, что вы принимаете лекарство, оно находится везде в вашем организме, но оно ничего не делает, просто сидит там, пока не появится свет определенной длины волны», — говорит Гильермо Гарсиа-Перес, главный научный сотрудник Algorithmiq. Затем оно действует как молекулярная пуля, поражающая опухоль только в месте тела, где направлен этот свет.

Лекарство, с которого Algorithmiq начала свою работу, уже находится во втором этапе клинических испытаний для лечения рака мочевого пузыря. Квантово-вычисленное моделирование, которое адаптирует и улучшает классические алгоритмы, позволит переделать его для лечения других состояний. «Он остался нишевым лечением именно потому, что его нельзя моделировать классически», — говорит Сабрина Манискалко, генеральный директор и соучредитель Algorithmiq.

Манискалко, которая также уверена в том, что уйдет с деньгами из конкурса, считает, что методы, использованные для создания алгоритма, будут иметь широкое применение: «То, что мы сделали за период программы Q4Bio, — это что-то уникальное, что может изменить способ моделирования химии для здравоохранения и наук о жизни».

Запись Infleqtion, работающая на ее машине на основе цезия, — это попытка улучшить идентификацию раковых сигнатур в медицинских данных. Вместе с сотрудниками из Чикагского университета и MIT ученые компании разработали квантовый алгоритм, который анализирует огромные наборы данных, такие как Atlas of Cancer Genome.

Цель состоит в том, чтобы найти закономерности, которые позволяют клиницистам определить факторы, такие как вероятное происхождение метастазированного рака пациента. «Очень важно узнать, откуда он пришел, потому что это может помочь определить лучшее лечение», — говорит Тиг Томеш, инженер квантового программного обеспечения, который руководит проектом Q4Bio в Infleqtion.

К сожалению, эти закономерности скрыты в наборах данных настолько большого размера, что они перегружают классические решатели. Infleqtion использует квантовый компьютер для поиска корреляций в данных, которые могут уменьшить размер вычислений. «Затем мы передаем сокращенную задачу обратно классическому решателю», — говорит Тиг. «Я в основном пытаюсь использовать лучшее из моих квантовых и классических ресурсов».

Тем временем команда из Ноттингема использует квантовые вычисления для определения кандидата на лекарство, который может вылечить миотоническую дистрофию, наиболее распространенную форму мышечной дистрофии с началом во взрослом возрасте. Один из членов команды, Дэвид Брук, сыграл роль в выявлении гена, стоящего за этим состоянием, в 1992 году. Спустя 30 лет Брук, Хёрст и другие члены их группы — которая включает QuEra, компанию из Бостона, разрабатывающую квантовый компьютер на основе нейтральных атомов — теперь квантово-вычислили способ, которым лекарства могут образовывать химические связи с белком, вызывающим болезнь, блокируя механизм, вызывающий проблему.

Низкие ожидания

Уверенность участников может быть высокой, но уверенность Шихана Саджида намного ниже. Саджид, предприниматель в области квантовых вычислений из Ватерлу, Онтарио, является директором программы Q4Bio. Он считает, что подверженные ошибкам квантовые машины, с которыми должны работать исследователи, вряд ли выполнят все критерии главного приза. «Очень сложно достичь с шумным квантовым компьютером того, что классическая машина не может сделать», — говорит он.

При этом он был удивлен прогрессом. «Когда мы начинали программу, люди не знали ни об одном случае использования, где квант определенно может повлиять на биологию», — говорит он. Но команды нашли многообещающие приложения, добавляет он: «Теперь мы знаем области, где квант может иметь значение».

И разработки в области «гибридной квантово-классической» обработки, которые используют участники, являются «трансформационными», считает Саджид.

Будет ли этого достаточно, чтобы он раздал деньги Wellcome Leap? Это зависит от судейской коллегии, чьи члены скрыты в целях обеспечения того, чтобы никто не адаптировал свою презентацию к определенному подходу. Но мы не узнаем результат некоторое время; победитель или победители будут объявлены в середине апреля.

Если окажется, что победителей нет, у Саджида есть несколько утешительных слов для конкурентов. Цель всегда была о запуске полезного алгоритма на машине, которая существует сегодня, указывает он; потеря цели не означает, что ваш алгоритм не будет полезен на будущем квантовом компьютере. «Это просто означает, что машина, которая вам нужна, еще не существует».