Matematikere fra Københavns Universitet har nu fundet opskriften til, hvordan man opgraderer kvantecomputere til at kunne simulere komplekse kvantesystemer som for eksempel molekyler. Dermed nærmer vi os muligheden for at kunne forudsige, hvordan nye lægemidler vil opføre sig i vores kroppe, og det kan potentielt revolutionere udviklingen af medicin.
At udvikle et nyt lægemiddel kan tage over et årti og koste milliarder af kroner – og med mange mislykkede forsøg undervejs. Men hvad hvis vi kunne forudsige, hvordan et lægemiddel virker i kroppen allerede inden de første laboratorieforsøg – og dermed fremskynde processen fra årevis til måneder?
Udfordringen er, at lægemidler består af molekyler, som igen består af atomer. Og fordi atomer opfører sig kvantemekanisk, har vi brug for en kvantecomputer til at efterligne atomernes opførsel. En traditionel computer – uanset hvor stor den var – ville aldrig kunne håndtere den enorme mængde information, som opgaven kræver med samme præcision.
I Quantum for Life Centre på Københavns Universitet har et hold af fysikere, dataloger og matematikere dedikeret en årrække af deres karriere til at forstå, hvordan såkaldte kvantesimulatorer, en slags specialiserede kvantecomputere, kan bruges til dén opgave: At simulere og dermed forudsige, hvordan molekyler opfører sig.
Alt er et spørgsmål om størrelse
Men alle forskere inden for udviklingen af kvantecomputere bakser med et helt fundamentalt problem: nemlig størrelsen. De kvantecomputere, som det indtil nu er lykkedes at bygge, er simpelthen for små. Lige nu er de kun i stand til at simulere få atomer, hvilket ikke kan bruges til noget i praksis, da de komplekse molekyler, som bruges i medicin, ofte indeholder millioner af atomer.
Nu er Quantum for Life-teamet imidlertid kommet et afgørende skridt tættere på at løse problemet. De har nemlig fundet en matematisk opskrift til, hvordan man nemmere programmerer kvantesimulatorer og dermed hiver mere regnekraft ud af samme størrelse simulator.
– Kvantesimulatorer består ikke kun af kvantehardware, men også af kvantesoftware – altså opskriften til at bruge kvantesimulatoren. Med de nye resultater tager vi et kæmpe ryk på softwaresiden og præsenterer en meget bedre metode, end vi hidtil har haft, til at opskalere den eksisterende hardware, så den kan løse mere komplekse opgaver, siger Dylan Harley, førsteforfatter til forskningsartiklen om studiet og ph.d.-studerende på Quantum for Life Centre.
Indtil nu har man haft en forståelse af, at en opskalering af en kvantesimulator krævede, at den skulle bygges på ny fra bunden af. Dette benspænd tackler den nye kvantealgoritme, som er kernen i kvantesoftwaren. Algoritmen indfører en kontrolleret mængde støj blandt de partikler, som skal simuleres, sådan at simulationen ikke gå i stå, men fortsætter som ønsket.
Ideen er af generel karakter og kan bruges til al slags kvantehardware, uanset om den er baseret på atomer, ioner eller endda kunstige atomer såsom superledende qubits.
Kan revolutionere udviklingen af medicin
– Kvanteteknologi anses som nøglen til at skabe ny og bedre medicin i fremtiden. Men uden muligheden for at opskalere kvantesimulatorerne på en effektiv måde er det meget begrænset, hvad man kan bruge dem til. Derfor er det helt centralt at finde ud af, hvordan vores kvantesoftware kan støtte denne opskalering. Og nu har vi en opskrift netop til det, siger Matthias Christandl, professor i kvanteteori og leder af Quantum for Life-centret.
Lykkes det forskerne at udvikle en effektiv kvantesimulator, er perspektiverne revolutionerende, lyder det fra professoren:
– Hvis vi på en computer kan simulere, hvordan et nyt lægemiddel opfører sig inde i en menneskekrop, inden man laver eksperimenter, kan man fundamentalt ændre måden, man udvikler og tester medicin på og speede hastigheden fra laboratorie til patient kraftigt op.
Den matematiske opskrift skal som det næste skridt prøves af i praksis på kvantehardware.
Quantum for Life Centre på Københavns Universitet forsker i at udvikle kvantealgoritmer til at simulere biomolekyler med det formål at studere komplekse biokemiske processer og bidrage til en hurtigere udvikling af nye lægemidler. Centret arbejder på at bygge en kvantesimulator, hvilket er en slags computer, der indeholder et kontrolleret system af partikler, som præcist kan efterligne forskellige kvantesystemer såsom molekyler og atomer. Centret kombinerer forskning i kvantefysik, matematik, kemi og datalogi og er finansieret af Novo Nordisk Fonden.
Kontakt: Matthias Christandl, Quantum for Life Centre, Københavns Universitet, mail: christandl@math.ku.dk
