Un computer quantico simula la molecola più grande mai vista, innescando la speranza di future scoperte di farmaci

Come scoprire nuovi farmaci o materiali? Basta simularli con una potenza di calcolo enorme

Un computer quantico ha simulato una molecola di idruro di berillio, una di idruro di litio e una di idrogeno (mostrate in figura da sinistra a destra), stabilendo un nuovo record mondiale.

Per come sono fatte le molecole, l’idruro di berillio non é molto avvincente — si tratta solo di due atomi di idrogeno attaccati ad un singolo atomo di berillio. Ma, per il momento, è un campione dei pesi massimi: è la molecola più grande mai modellata da un computer quantico, una tecnologia emergente che potrebbe un giorno risolvere i problemi che danno filo da torcere ai normali computer. L’avanzamento, anche se ancora nelle possibilità di un normale computer, potrebbe costituire una pietra miliare verso un innovativo e potente modo di scoprire nuovi farmaci e materiali.

“Penso che sia molto, molto promettente”, dice Marco De Vivo, chimico teorico dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, che studia come i farmaci interagiscono con le proteine. “Spinge più in là i confini di ciò che è la computazione di oggi”.

Fisici e chimici usano abitualmente i computer per simulare il comportamento di atomi e molecole. Simulazioni di questo tipo richiedono enorme potenza di calcolo, perché le interazioni tra tre o più particelle interagenti diventano rapidamente molto complesse. Inoltre, gli elettroni all’ interno delle molecole obbediscono alle strane leggi della meccanica quantistica — la teoria del minuscolo — per cui è impossibile determinare contemporaneamente la posizione e la velocità di un elettrone. Questo rende ancora più difficile calcolare la distribuzione degi elettroni all’interno di una molecola. Ancora oggi i supercomputer più potenti possono simulare molecole fino a poche centinaia di atomi.

Ma gli scienziati ritengono che i computer quantici siano sulla buona strada per superare i loro cugini classici. Già nel 1981, il fisico premio Nobel Richard Feynman aveva previsto che i computer basati sulla meccanica quantistica potessero simulare esattamente le grandi molecole. Mentre un normale computer usa bit che possono essere impostati su 0 o 1, un computer quantico impiega cosiddetti “qubit” che possono essere impostati contemporaneamente su 0, 1 o 0 e 1. Questi qubit possono poi essere collegati tra loro per creare un potente processore quantico che, in teoria, dovrebbe essere in grado di simulare una molecola in modo molto più efficiente di un computer convenzionale. Molti scienziati pensano che scoprire nuovi farmaci e nuovi materiali sarà la prima applicazione del futuro per i computer quantici, che si stanno rapidamente sviluppando nelle università e nelle aziende di tutto il mondo.

I computer quantici di oggi, tuttavia, sono fortemente limitati dalla sensibilità dei loro qubit, i cui delicati stati quantistici 0 e 1 possono essere interrotti da fluttuazioni di temperatura, e dei campi elettrici o magnetici. Più qubits sono collegati tra loro, più alto è il rischio di errori. L’anno scorso, i ricercatori del laboratorio di calcolo quantistico di Google a Venice, in California, hanno utilizzato tre qubit per calcolare la disposizione di elettroni ad energia più bassa della molecola più semplice — la molecola di idrogeno.

I ricercatori IBM di calcolo quantistico hanno ora alzato la soglia. Gli scienziati hanno utilizzato fino a sei qubit di metalli specifici chiamati superconduttori, che possono trasportare contemporaneamente diversi livelli di corrente elettrica, per analizzare le molecole di idrogeno, idruro di litio e idruro di berillio (BeH2). In primo luogo, codificano la disposizione degli elettroni di ogni molecola sul computer quantico. Poi usano un algoritmo specializzato per spingere la molecola simulata in stati a bassa energia, misurati e codificati precedentemente su un computer convenzionale. Hanno ripetuto il processo fino a quando il computer quantico non ha trovato lo stato di energia più basso della molecola— un passo importante in molte applicazioni chimiche.

Utilizzando questo algoritmo iterativo, il computer quantico di IBM ha calcolato con successo l’energia dello stato più basso di tutte e tre le molecole, stabilendo un record mondiale per la simulazione quantistica, come riferisce il team su Nature.

A causa di errori che inevitabilmente si insinuano nei calcoli quantistici, i risultati non sono perfettamente accurati, osservano i ricercatori. Ma la dimostrazione potrebbe aiutare i chimici a comprendere meglio le molecole conosciute e a scoprirne di nuove, dice Jerry Chow, un fisico di Yorktown Heights, New York, che guida le attività di calcolo quantistico di IBM.

“Vogliamo fare del calcolo quantistico qualcosa che possa estendersi al di fuori dell’ ambito della semplice fisica”.

Il risultato “rappresenta un progresso solido verso un obiettivo incredibilmente importante” nel prevedere le proprietà delle nuove molecole, scrive Ryan Babbush, il ricercatore che ha guidato la simulazione dell’idrogeno di Google, in una e-mail.

Per scopi pratici, tuttavia, BeH2 è ancora una piccola molecola. I nuovi composti farmaceutici, ad esempio, contengono in genere da 50 a 80 atomi. E le proteine cellulari con cui tali farmaci interagiscono — e che gli scienziati devono anche simulare per capire come funzionerà un potenziale farmaco — possono contenere migliaia di atomi, dice De Vivo. “Per passare dagli esperimenti a qualcosa che abbia un impatto sul mio lavoro quotidiano, c’è ancora molta strada da percorrere”, continua. “È come il primo giorno che vediamo volare un aereo, ma il nostro sogno è quello di andare sulla Luna”.


Tradotto in Italiano. Articolo originale: Science


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