Máy tính lượng tử mô phỏng protein 12.000 nguyên tử: Cột mốc lớn trong hóa học tính toán

Hình minh họa một thiết bị máy tính lượng tử. Ảnh: Getty Images

Mô phỏng protein lớn nhất lịch sử máy tính lượng tử

Các nhà nghiên cứu từ Cleveland Clinic, RIKEN và IBM vừa đạt kỷ lục thế giới trong lĩnh vực hóa học tính toán khi mô phỏng thành công hệ thống protein-ligand gồm hơn 12.000 nguyên tử. Hệ thống lớn nhất trong nghiên cứu này đạt 12.635 nguyên tử với khoảng 30.000 obitan, vượt xa toàn bộ các minh chứng điện toán lượng tử trước đây trong lĩnh vực hóa học.

Nhóm nghiên cứu tập trung vào hai loại protein có liên quan trực tiếp đến sinh học là T4-Lysozyme và Trypsin, cùng với các phân tử mà chúng liên kết trong môi trường nước thực tế. Đây là điều kiện gần với môi trường cơ thể người nhất mà hóa học lượng tử tính toán từng đạt được.

Từ 303 nguyên tử lên 12.635 nguyên tử chỉ trong vài tháng

Kết quả này xuất hiện chỉ vài tháng sau khi nhóm nghiên cứu hoàn thành mô phỏng một protein nhỏ hơn với 303 nguyên tử. Công trình mới tăng quy mô hệ thống lên gấp 40 lần, đồng thời cải thiện độ chính xác gấp 210 lần ở một phần quan trọng trong quy trình tính toán. Tốc độ tiến bộ này phản ánh sự chín muồi nhanh của nền tảng điện toán lượng tử-cổ điển kết hợp.

Tiến sĩ Kenneth Merz, người đứng đầu nghiên cứu, nhận xét: "Kết quả này là một trong những điều mà bạn hằng mơ ước."

94 qubit, 9.200 mạch và 1,3 tỷ phép đo

Nhóm nghiên cứu triển khai tới 94 qubit trên hai bộ xử lý lượng tử để lấy mẫu dữ liệu, chạy 9.200 mạch lượng tử trong hơn 100 giờ và thu về 1,3 tỷ kết quả đo. Toàn bộ dữ liệu này sau đó chạy qua các hệ thống cổ điển hiệu năng cao, trong đó có siêu máy tính Fugaku của Nhật Bản.

Phương pháp cốt lõi của nhóm là chia các phân tử lớn thành các cụm nhỏ hơn. Máy tính cổ điển xử lý các vùng đơn giản hơn của phân tử, còn hệ thống lượng tử đảm nhận các phần phức tạp và khó tính toán nhất. Sau khi hoàn tất, các kết quả ghép lại thành bức tranh tổng thể của toàn bộ phân tử, tạo thành quy trình mà nhóm gọi là siêu máy tính tập trung vào lượng tử.

Cải tiến song song trên cả hai nền tảng

Nhóm nghiên cứu thực hiện cải tiến ở cả phần cổ điển lẫn phần lượng tử của quy trình. Một bước quan trọng là tinh chỉnh cách hệ thống xác định những phần nào của phân tử cần xử lý lượng tử chi tiết, từ đó giảm chi phí tính toán tổng thể.

Ngoài ra, một thuật toán lượng tử mới giúp hệ thống nhận diện chính xác hơn các cấu hình điện tử có liên quan, tập trung vào các phần quan trọng nhất trong hoạt động của phân tử và bỏ qua các dữ liệu ít giá trị hơn.

Ngọc Hà