סוף לעידן הניסוי והטעייה? מחשב קוונטי הצליח לדמות חלבון של 12,000 אטומים

במשך עשורים, עולם פיתוח התרופות התנהל במידה רבה כמעבדת ענק של ניסוי וטעייה. כדי להבין איך מולקולה חדשה משפיעה על חלבון בגוף האדם, המדענים נדרשו לשנים של מחקר במבחנה וסימולציות מוגבלות, שעלו מיליארדי דולרים ולעיתים קרובות הסתיימו במבוי סתום. המחסום העיקרי לא היה חוסר בדמיון, אלא מגבלה פיזיקלית: המחשבים החזקים ביותר בעולם פשוט לא מסוגלים להתמודד עם המורכבות האקספוננציאלית של המכניקה הקוונטית השולטת ברמה המולקולרית. ככל שמולקולת החלבון גדולה ומורכבת יותר, כך מספר המצבים האפשריים שלה מזנק לרמות שגם מחשבי-על לא מצליחים לחשב בדיוק הנדרש, מה שהשאיר חלק ניכר מהביולוגיה האנושית כ"קופסה שחורה" עבור המתמטיקה המודרנית.

ההישג האחרון של IBM, בשיתוף קליבלנד קליניק ומכון RIKEN, מסמן את הנקודה שבה המחשוב הקוונטי מפסיק להיות הבטחה עתידית והופך לכלי מדעי יישומי. על ידי דימוי של חלבון המכיל למעלה מ-12,000 אטומים - קפיצה דרמטית של פי 40 מהיכולות שהיו קיימות רק חודשים ספורים קודם לכן – החוקרים הוכיחו כי ניתן לפצח מערכות ביולוגיות רחבות היקף. הסוד טמון בגישת ה-"Quantum-Centric Supercomputing": שילוב כוחות שבו מחשב-על קלאסי מפרק את הבעיה למקטעים, והמחשב הקוונטי פותר את החישוביים הסבוכים ביותר בלב המולקולה. זוהי הפעם הראשונה שבה נעשה שימוש ב-94 קיוביטים ובעשרות אלפי פעולות קוונטיות כדי להגיע לרמת דיוק שמשפרת את היכולת לחזות אינטראקציות ביולוגיות עד פי 210.

מולקות החלבון שהצליחו לדמות. קרדיט: IBM, Cleveland Clinic, and RIKEN

המשמעות עבור עתיד הרפואה היא לא פחות ממהפכנית. היכולת "להריץ" סימולציה מדויקת של תרופה בתוך המחשב לפני שבכלל ניגשים למעבדה הפיזית, עשויה לקצר תהליכי פיתוח שנמשכים היום מעל עשור לשנים בודדות. אנחנו מתקרבים לעידן שבו ניתן יהיה לתכנן תרופות מותאמות אישית ברמת הדיוק של אטום בודד, להבין מנגנוני פעולה של אנזימים מורכבים ולפצח מחלות שנותרו חשוכות מרפא רק בגלל שלא הייתה לנו הדרך לחשב את המבנה שלהן. פריצת הדרך הזו מסמנת את תחילת הסוף של עידן הניחושים המושכלים, ומעבר לעידן של הנדסה רפואית מדויקת, שבו המחשב הקוונטי הוא המיקרוסקופ החזק ביותר שנוצר אי פעם.

• מניות הקוונטים חוזרות לזנק - הייפ מוגזם או הזדמנות?
• הורייזון קוואנטום פרסמה דוחות ראשונים מאז ההנפקה - וממשיכה להפסיד
• המלצת המערכת: כל הכותרות 24/7

להרחבה על עולם המחשוב הקוונטי, החברות שמובילות את המרוץ והתחזיות של וול סטריט לגבי המעבר מניסויי מעבדה לשימושים מסחריים אמיתיים כבר בשנים הקרובות: מניות הקוונטים חוזרות לזנק - הייפ מוגזם או הזדמנות?

ממעבדת מחקר לכלי עבודה מדעי

מאחורי ההישג הזה מסתתר גם שינוי עמוק יותר באופן שבו תעשיית המחשוב מסתכלת על העתיד. במשך שנים מחשבים קוונטיים הוצגו בעיקר כהדגמות מעבדה מרשימות, עם יכולות תיאורטיות אדירות אבל מעט מאוד שימושים פרקטיים. חברות הטכנולוגיה הגדולות התחרו בעיקר במספר הקיוביטים וביכולת להקטין "רעש קוונטי" – אותן שגיאות חישוב שנוצרות בגלל הרגישות הקיצונית של מערכות קוונטיות לסביבה החיצונית. אלא שבפועל, גם כאשר מספר הקיוביטים גדל, היה קשה להראות בעיה מדעית אמיתית שמחשב קוונטי מצליח לפתור טוב יותר ממחשב רגיל.

זו הסיבה שהמחקר הנוכחי מושך כל כך הרבה תשומת לב בעולם המדעי. הוא לא מתמקד בעוד שיא טכנולוגי מופשט, אלא בבעיה קונקרטית שמעסיקה חוקרי תרופות, כימאים וביולוגים כבר שנים: איך לחשב בצורה מדויקת את ההתנהגות של מערכות ביולוגיות מורכבות באמת. במקום לדבר על "פוטנציאל עתידי", IBM מציגה כאן הדגמה של תהליך עבודה מדעי שלם שבו המחשב הקוונטי כבר משתלב בתוך שרשרת החישוב בפועל. 

• כולם מתחילים להישמע אותו דבר: כך ה-AI משנה את השפה שלנו
• פשרה באפל: תשלם 250 מיליון דולר לרוכשי אייפון בשל הבטחות ל-AI שלא מומשו בזמן
• תוכן שיווקי שוק הסקנדרי בישראל: הציבור יכול כעת להשקיע ב-SpaceX של אילון מאסק
• ההימור של האב: 245 אלף דולר שהפכו להשקעה הגדולה בהיסטוריה

החלק המעניין הוא שהפריצה לא נולדה מניסיון להחליף את המחשבים הקלאסיים, אלא דווקא מההבנה שהעתיד כנראה היברידי. במשך תקופה ארוכה תעשיית הקוונטום שיווקה את הרעיון של "מחשב על חדש" שיחליף לחלוטין את הארכיטקטורה המוכרת לנו היום. אלא שככל שהתחום התקדם, התברר שמחשבים קוונטיים מצטיינים רק בסוגים מאוד מסוימים של חישובים, בעיקר כאלה שבהם מספר האפשרויות גדל בצורה מעריכית. לעומת זאת, מחשבים רגילים עדיין יעילים הרבה יותר ברוב משימות העיבוד, ניהול הנתונים ופירוק הבעיות.

המחשב הקוונטי לא מחליף את המחשב הרגיל, אלא עובד לצידו

לכן, במקום לנסות לבנות מחשב קוונטי שעושה הכול, IBM בחרה בגישה אחרת: להפוך את המחשב הקוונטי למעין "מאיץ מדעי" שפועל לצד מחשבי-על קלאסיים. זו גם הסיבה שהחוקרים שילבו כאן את Fugaku, אחד ממחשבי-העל החזקים בעולם, יחד עם מעבדי IBM Quantum Heron. המחשב הקלאסי טיפל בפירוק החלבון למקטעים חישוביים, בעוד שהמחשב הקוונטי קיבל את האזורים שבהם חוקי המכניקה הקוונטית הופכים את החישוב לכמעט בלתי אפשרי עבור מערכות רגילות. 

הגישה הזו מזכירה במידה מסוימת את הדרך שבה אנבידיה הפכה את ה-GPU ממעבד גרפי לרכיב קריטי בתחום הבינה המלאכותית. גם שם לא החליפו את המעבד המרכזי, אלא הוסיפו רכיב שמתמחה בסוג מאוד מסוים של חישובים ומאיץ אותם בצורה דרמטית. יותר ויותר חוקרים בתעשייה מתחילים לראות במחשב הקוונטי סוג דומה של שכבת האצה, רק עבור בעיות מדעיות מורכבות במיוחד.

המרוץ הבא של ענקיות הטכנולוגיה עובר דרך עולם הפארמה

וזה אולי החלק החשוב באמת מבחינת השוק. אם עד לאחרונה מחשוב קוונטי היה תחום שנמצא בעיקר בעולם האקדמי, היום הוא מתחיל להתחבר לאחת התעשיות הרווחיות והמשמעותיות בעולם – תעשיית התרופות. חברות פארמה מוציאות בכל שנה מאות מיליארדי דולרים על ניסויים, סימולציות ותהליכי גילוי תרופות, כאשר חלק עצום מההשקעה יורד לטמיון בגלל חוסר יכולת לחזות מראש כיצד מולקולה תתנהג בתוך גוף האדם. כל שיפור קטן בדיוק החישובי עשוי לחסוך שנים של ניסויים ועלויות עתק.

המשמעות היא שהמרוץ הקוונטי כבר לא מונע רק מיוקרה טכנולוגית. הוא מתחיל להפוך למאבק כלכלי אמיתי על שוק עתידי עצום. זו גם הסיבה שבמקביל ל-IBM נכנסות עמוק יותר לתחום גם גוגל, מיקרוסופט, אמזון, אנבידיה ושורה של סטארט-אפים ציבוריים כמו IonQ ו-Rigetti. כל אחת מהחברות מנסה לבנות את ה"ארכיטקטורה" שתהפוך בעתיד לסטנדרט של עולם הקוונטום.

ועדיין, גם בתוך ההתלהבות צריך לזכור שהטכנולוגיה רחוקה מבשלות מלאה. מחשבים קוונטיים עדיין מוגבלים מאוד בגודל המערכות שהם יכולים לייצב לאורך זמן, ושיעורי השגיאה שלהם גבוהים משמעותית לעומת מערכות קלאסיות. במובן הזה, ההישג הנוכחי אינו "רגע האייפון" של הקוונטום, אלא יותר הרגע שבו התעשייה מתחילה להוכיח שהיא מסוגלת לצאת מגבולות המעבדה ולעבוד על בעיות אמיתיות.

אבל לפעמים זה בדיוק הרגע שבו טכנולוגיות משנות כיוון. לא כשהן מושלמות, אלא כשהן מפסיקות להיות הדגמה ומתחילות להיות שימושיות. במשך שנים עולם הקוונטום נמדד במספר הקיוביטים. עכשיו הוא מתחיל להימדד בשאלה אחרת: אילו בעיות אמיתיות הוא מסוגל לפתור.