Kvantumeszközzel építettek fehérjét

A kanadai D-Wave 2007-ben jelentette be, hogy elkészítette a világ első kereskedelmi kvantumszámítógépét, és bár akkor nem bocsátkozott részletekbe a rendszer működését tekintve, utóbb kiderült, hogy nem véletlenül. Noha a gép kvantumbiteket (qubiteket) használ, és elméletben számos előnnyel bír a "hagyományos" felépítésű számítógépekhez képest, a vállalat fejlesztése aligha nevezhető kvantumszámítógépnek, ezért ma már maga is kvantumoptimalizálónak hívja. Egy augusztusi tanulmány szerint éles bevetésen tesztelik a rendszert: a D-Wave és a Harvard Egyetem kutatói a fehérjegombolyodás problémáját próbálják megoldani a segítségével.

Erre csak a természet képes

A fehérje aminosavak láncolata, amik számtalan módon - a különböző forma különböző funkciót sejtet - kapcsolódhatnak egymással. Különösen érdekes, hogy az úgynevezett gombolyodás végeredménye túlnyomó többségben tökéletes lesz, ami biztosítja a fehérje hibátlan működését, ellenkező esetben a fehérje rosszul vagy egyáltalán nem teljesíti a funkcióját, ami olyan betegségekhez vezethet mint az Alzheimer- vagy a Parkinson-kór. A fehérjegombolyodás a tudomány egyik legnagyobb rejtélye, ha megértenénk a folyamat működését, az segítené az említett kórok legyőzését is.

A jelenlegi elmélet szerint az az aminosav-kombináció válik működőképes fehérjévé, melynek egyben tartásához a legkevesebb energia szükségeltetik, ebben az állapotban a legstabilabb ugyanis a fehérje. A helyes térbeli kombináció számítógépes megjóslása viszont még a legegyszerűbb modellek esetében is nehéz feladat, ráadásul meglehetősen időigényes is - nem véletlen, hogy néhány kutató még egy videojátékot is összerakott, amiben fehérjeépítésre vállalkozhatnak az érdeklődők.

Mit csinálnak?

A D-Wave a már említett kvantumeszköze segítségével kutatott egy tetszőleges fehérje legalacsonyabb energiájú alakzata után, az optimalizációs problémát - ahol az optimális állapot a legalacsonyabb energiájú állapot - az úgynevezett “quantum annealing” algoritmussal oldotta meg. Ilyenkor a rendszer véletlenszerűen választja ki a kiinduló állapotokat, majd az ezekkel szomszédos állapotokat veszi szemügyre: ha utóbbiak közül valamelyik alacsonyabb energiával rendelkezik, a számítógép kicseréli az eredetit az alacsonyabb energiájú állással.

Nyerd meg az 5 darab, 1000 eurós Craft konferenciajegy egyikét! A kétnapos, nemzetközi fejlesztői konferencia apropójából a HWSW kraftie nyereményjátékot indít.

A korábban alkalmazott, hőmérséklet-változásra építő “simulated annealing” módszerhez képest  annyi a különbség, hogy az eljárás kvantumeszközt használ, ami által lényegesen gyorsabbá válhat. A folyamat gyakorlatilag két dimenzióban, egy 81 darabos kvantumbittömön megy végig, ahol két kvantumbit - miután azok négy értéket vehetnek fel együttesen - mind a négy lehetséges mozgási irányt megtestesíti. A kvantumbittömb is rendelkezik olyan állapottal, ahol az energiája a legalacsonyabb, ez feleltethető meg a fehérje legalacsonyabb energiájú állapotának.

Még gyerekcipőben

Az, hogy sikerült fehérjét építeni, örvendetes, de ami igazán fontos, hogy mindezt a kvantum optimalizáló csinálta, így megannyi ígéret után a D-Wave bizonyította, hogy a gyakorlatban is hasznát lehet venni az eszközének. Más kérdés, hogy teljesítmény terén semmi kiemelkedőt nem sikerült még alkotni, a D-Wave csapata ugyanis csak egy nagyon egyszerű, mindössze 6 aminosavat tartalmazó, és így 40 lehetséges kombináció szerint felépíthető fehérjével dolgozott, és ezt is csak részletekben tette, amire még egy hagyományos számítógép is képes lenne.

A tudósoknak még egy fontos problémával is számolniuk kellett: egy kvantumszámítógépnek elméletben 0 kelvin hőmérsékleten kell üzemelnie, de mivel ilyen hűtést előállítani gyakorlatilag lehetetlen, a D-Wave kénytelen volt magasabb hőmérsékleten dolgozni. Ez a termális zaj vezetett oda, hogy tízezer kísérletből mindössze tizenháromszor sikerült a helyes eredményhez eljutni.