Kvantové počítače jsou pro zkoumání molekulárních struktur zvláště vhodné, protože na rozdíl od klasických výpočetních systémů, jejichž škálovatelnost je pro molekulární elektronické struktury problematická, řeší úlohy tyto efektivně zkoumáním principů kvantové fyziky. Výzkum byl prováděn s využitím kvantového počítače od IBM.
Hmotnostní spektrografie je analytická technika pro zjištění a měření chemických látek určením hmotnosti molekul a jejich částí. Ve společnosti hraje zásadní roli v podpoře zdravotnictví, ochraně životního prostředí a v pokroku farmaceutického výzkumu. V medicíně umožňuje včasné určení nemocí odhalením specifických biologických markerů. Ve vědě životního prostředí pomáhá sledovat znečišťující látky a škodlivé chemikálie, přispívá k čistšímu vzduchu, vodě a celého ekosystému. Ve farmaceutickém vývoji zrychluje hmotnostní spektrografie určení kandidátů na léčiva, sleduje metabolické cesty a zajišťuje kvalitu a bezpečnost farmaceutických produktů.
Zásadní problémy současnosti
Největší úlohou pro pokročilou hmotnostní spektrografii je komplexnost chemické analýzy. Mnoho vzorků, jako například látky znečišťující životní prostředí nebo biologické materiály, obsahují tisíce neznámých látek. Přesné určení těchto složek záleží na existenci rozsáhlé referenční knihovny obsahující experimentálně získaná spektra známých chemických sloučenin. Vytváření takových knihoven však omezuje potřeba izolovat, očistit a změřit každou ze složek jednotlivě za kontrolovaných podmínek, což je jak časově náročné, tak nepraktické kvůli ohromnému počtu možných molekul. Výsledkem je, že stávající knihovny pokrývají jen zlomek chemického prostoru a ponechávají mnoho substancí necharakterizovanými.
Omezení současných výpočetních zdrojů
Tato omezení mohou být vyřešena s využitím principů kvantové fyziky předpověděním hmotnostního spektra, včetně fragmentovaných vzorků a výsledných signálů. Na rozdíl od metod, které závisejí jen na experimentálních databázích, mohou tyto simulace předpovědět chování neznámých látek, podpořit určení chemikálií dosud nekatalogizovaných, snížit závislost na experimentálních datech a rozšířit hmotnostní spektrografii na zjištění dříve neurčených příměsí.
Přes svůj potenciál jsou však tyto simulace velmi náročné na výpočetní zdroje. I přes dostupnost přesných metod zabere simulace jedné komplexní molekuly dny až týdny, v závislosti na její velikosti. Společně s růstem komplexnosti rychle roste počet výpočtů, což klade velké nároky na konvenční výpočetní infrastrukturu. Proto je tvorba obecných spektrálních knihoven přes simulace sama o sobě nepraktická.
Kvantové výpočty jako řešení
Pro řešení těchto úloh nabízejí zásadně nový přístup kvantové výpočty. Na rozdíl od klasických výpočetních systémů, jejichž škálovatelnost je pro molekulární elektronické struktury problematická, jsou pro jejich řešení kvantové počítače zvláště vhodné, protože řeší tyto úlohy efektivně zkoumáním principů kvantové fyziky. S nárůstem komplexnosti umožňuje kvantovým počítačům jejich kapacita provádět komplexní výpočty elektronické struktury s vyšší efektivitou. Cílem je přijmout hybridní přístup začleněním kvantových výpočtů do vybraných částí stávající softwarové platformy, která simuluje hmotnostní spektrum s využitím metod prvoplánových principů. Zaměřením se na výpočetně nejnáročnější kroky, jako například kalkulace elektronické struktury, se směřuje k urychlení předvídání molekulárních struktur a fragmentace cest. Tato integrace může v budoucnu učinit řešitelným studium komplexních molekul a vytvořit rozsáhlé spektrální knihovny, které zdaleka překonají současné konvenční výpočetní zdroje dneška.
Výzkumu se dále zúčastnili Aleš Křenek (Masarykova univerzita Brno), Petr Leština (IBM), Ondřej Král (IBM) a Michael Wagner (IBM).
