Google запускает XPRIZE Quantum Applications — глобальный конкурс с бюджетом 5 миллионов долларов, который поможет разработать квантовые алгоритмы для реальных приложений. Конкурс продлится три года. Хотя уже доказано, что квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи гораздо быстрее, чем обычные, подавляющее большинство алгоритмов не имеют практического применения. Компания надеется изменить эту ситуацию, обратившись к научному сообществу с призывом посмотреть, как можно применить эту технологию для решения важнейших мировых проблем.
Квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом для решения важнейших социальных проблем. Исследования, проведенные Google (и другими компаниями), показали, что их можно использовать, например, для ускорения разработки новых лекарств, создания новых материалов, которые работают лучше и служат дольше, более эффективных компонентов батарей, термоядерных реакторов и так далее.
Отсутствие практического применения
Среди приложений, изучаемых компанией, — разработка квантовых алгоритмов для анализа химических взаимодействий цитохрома P450 (CYP450), семейства ферментов, необходимых для метаболизма лекарств, эффективность которых определяется анализом их взаимодействия. Однако реакции настолько сложны, что ученым особенно трудно их предугадать, что затрудняет разработку новых терапевтических молекул.
Это связано с тем, что процесс метаболизма CYP450 состоит из сложной цепочки реакций, приводящих к многочисленным промежуточным изменениям в молекулярной структуре фермента. В своем исследовании Google продемонстрировала, что с помощью квантового компьютера ученые смогут проследить эту цепочку изменений с большей точностью и с гораздо меньшими затратами времени и ресурсов.
В другом исследовании инженеры Google показали, как квантовые вычисления могут быть использованы для изучения более экологичных альтернатив кобальту, который используется в катодах литий-ионных батарей. Исследователи использовали метод квантового моделирования для разработки алгоритмов анализа относительных энергий ряда структур-кандидатов на замену кобальту. Такая операция потребовала бы десятков миллионов кубитов, что слишком дорого для обычных компьютеров.
Однако эти демонстрации — всего лишь математические выкладки, не имеющие возможности реального применения. Другими словами, они не имеют практической пользы. «Большинство квантовых алгоритмов изучалось в основном в контексте абстрактных математических задач, и меньше работ было посвящено оценке этих алгоритмов для конкретных, реальных случаев использования«, — объясняют Бриджит Хойер Госселинк, директор Google.org, и Райан Баббуш, руководитель отдела квантовых алгоритмов Google Quantum AI, в пресс-релизе компании.
Другими словами, «хотя есть много причин для оптимизма в отношении потенциала квантовых вычислений, мы все еще не знаем точно, как, когда и для каких реальных проблем эта технология окажется наиболее преобразующей«, — пишут они. С другой стороны, количественная оценка размера, необходимого для того, чтобы квантовый компьютер имел реальные преимущества перед классическим аналогом, также мало изучена.
Чтобы направить исследования в русло реальных приложений, компания приглашает исследователей со всего мира принять участие в XPRIZE Quantum Applications для разработки квантовых алгоритмов, которые могут оказать положительное влияние на общество.
Алгоритмы в соответствии с Целями устойчивого развития ООН
Новый конкурс Google направлен на создание алгоритмов квантовых вычислений, которые могут быть применены для достижения общественно полезных целей, включая 17 Целей устойчивого развития ООН (ЦУР). Конкурс включает в себя краткосрочные приложения для квантовых компьютеров Noisy Intermediate Scale Quantum (или NISQ), которые представляют собой несовершенные квантовые компьютеры промежуточного масштаба, и среднесрочные приложения, предполагающие широкомасштабное использование будущих квантовых компьютеров с устойчивостью к ошибкам.
Однако различные эксперты считают, что для разработки алгоритмов, которые могли бы найти реальное применение, необходимо сначала найти способ борьбы с шумом и ошибками, присущими современным устройствам. По мнению Билла Феффермана, исследователя из Чикагского университета, в ближайшие три года вряд ли удастся найти такие алгоритмы и реализовать их на современном оборудовании.
Тем не менее, «хотя мы считаем, что в эпоху NISQ можно найти полезные приложения, основное влияние квантовых вычислений будет достигнуто после создания крупномасштабных квантовых компьютеров, и мы можем определить эти приложения сейчас, чтобы иметь их в готовности к внедрению по мере разработки более мощного оборудования«, — считают представители Google.
Чтобы получить право на участие в конкурсе, команды-кандидаты должны будут описать социально полезное приложение, которым они хотят заняться. Они также должны будут предоставить анализ времени обработки (до получения решения) своего алгоритма на квантовом компьютере. Алгоритмы также будут оцениваться по ряду других критериев, таких как масштаб положительного влияния, которое они могут оказать, и то, являются ли они более быстрыми, чем обычные алгоритмы. Предложения будут оцениваться в течение следующих трех лет группой всемирно известных экспертов из разных отраслей.
Призовой фонд в размере 5 миллионов долларов будет разделен между 20 полуфиналистами, которые получат по 50 тысяч долларов, 5 финалистами, которые разделят между собой 1 миллион долларов, и 3 обладателями главного приза, которые получат оставшиеся 3 миллиона долларов.