Il calcolo quantistico compie un passo concreto verso applicazioni scientifiche di maggiore scala. Cleveland Clinic, RIKEN e IBM hanno utilizzato computer quantistici IBM insieme a due tra i supercomputer classici più potenti al mondo per simulare complessi proteici fino a 12.635 atomi. Secondo le organizzazioni coinvolte, si tratta della più grande simulazione mai realizzata finora con computer quantistici.
Il risultato non va letto come una semplice prova di capacità hardware. Il punto centrale è che la simulazione riguarda molecole biologicamente significative, cioè sistemi più vicini ai problemi reali che biologi, chimici e ricercatori farmaceutici devono affrontare. In particolare, il lavoro apre nuove prospettive nello studio dell’interazione tra proteine e candidati farmaci, una delle aree più complesse e costose della ricerca lifescience.
Il calcolo quantistico entra nella simulazione proteica su larga scala
La simulazione di complessi proteici è un problema computazionale estremamente impegnativo. Quando le molecole crescono di dimensione, i metodi tradizionali faticano a descriverne con precisione il comportamento, soprattutto quando occorre analizzare come un potenziale farmaco possa legarsi a una proteina target.
In questo contesto, Cleveland Clinic, RIKEN e IBM hanno applicato un approccio ibrido, nel quale computer classici e processori quantistici lavorano insieme. IBM definisce questo modello quantum-centric supercomputing: una forma di supercalcolo in cui ogni componente affronta la parte del problema per cui è più adatta.
Gli scienziati sono riusciti a simulare due proteine biochimicamente rilevanti, con dimensioni circa 40 volte superiori rispetto a quelle gestibili dallo stesso metodo solo sei mesi fa. Nello stesso periodo, l’accuratezza delle simulazioni in una fase chiave del flusso di lavoro è migliorata fino a 210 volte.
Quantum-centric supercomputing, il ruolo dei sistemi IBM Quantum
Nel flusso di lavoro, i supercomputer classici hanno scomposto i complessi proteina-ligando in frammenti computabili. I processori IBM Quantum Heron da 156 qubit, operanti nei computer quantistici IBM presso Cleveland Clinic negli Stati Uniti e presso RIKEN in Giappone, hanno poi calcolato il comportamento quantomeccanico di queste parti.
Il lavoro ha coinvolto anche due supercomputer classici di fascia altissima: Fugaku di RIKEN e Miyabi-G, gestito dall’Università di Tokyo e dall’Università di Tsukuba. Alcune parti della simulazione hanno richiesto fino a 94 qubit e quasi 6.000 operazioni quantistiche. I risultati sono stati quindi ricomposti sui computer classici per ottenere una rappresentazione completa della molecola.
La scalabilità è stata resa possibile anche da un nuovo algoritmo ibrido quantistico-classico, denominato EWF-TrimSQD, progettato per ridurre l’overhead computazionale e accelerare la rappresentazione diretta della chimica di questi sistemi molecolari sull’hardware quantistico.
Un salto rispetto alle simulazioni precedenti
La ricerca si inserisce in un percorso già avviato da Cleveland Clinic, RIKEN e IBM. Tra i traguardi precedenti rientrano le tecniche per modellare gli stati elettronici nelle molecole, inizialmente dimostrate sui solfuri di ferro, e la simulazione della molecola benchmark Trp-cage da 303 atomi, composta da 20 amminoacidi.
Il passaggio a complessi proteici fino a 12.635 atomi cambia però la scala del problema. Non significa che il quantum computing sia già pronto a sostituire il calcolo classico nella ricerca farmaceutica, ma indica che l’integrazione tra risorse classiche e quantistiche può iniziare a produrre risultati scientificamente rilevanti.
“Questo lavoro rappresenta un importante passo avanti e sottolinea il ruolo emergente del calcolo quantistico nei sistemi per la scoperta dei farmaci”, ha dichiarato Kenneth Merz, autore principale dello studio e staff scientist del Computational Life Sciences Department della Cleveland Clinic. “Superando la soglia dei 12.000 atomi, abbiamo ampliato in modo significativo la scala delle simulazioni molecolari biologicamente rilevanti possibili con il calcolo quantistico e dimostrato un framework per applicare questi metodi a problemi scientificamente rilevanti su scala più ampia”.
Per IBM il quantum passa dai benchmark ai problemi scientifici
Il risultato ha anche un significato industriale per IBM, che da anni lavora per portare il calcolo quantistico oltre la fase dimostrativa. Il tema non è più soltanto aumentare il numero di qubit o migliorare i tassi di errore, ma mostrare che i sistemi quantistici possono contribuire alla risoluzione di problemi concreti.
“Per anni, il calcolo quantistico è stato una promessa. Oggi, i computer quantistici stanno producendo risultati che contano davvero per la scienza”, ha affermato Jay Gambetta, Direttore di IBM Research e IBM Fellow. “I sistemi che abbiamo simulato sono il tipo di molecole con cui biologi e chimici lavorano nel mondo reale. I computer quantistici non stanno più dimostrando solo di essere strumenti validi, ma che possono apportare contributi significativi nelle architetture di quantum-centric supercomputing”.
Il messaggio è chiaro: il valore del quantum non si misura più solo con parametri tecnici interni alla disciplina, ma anche con la dimensione e la rilevanza dei problemi che può aiutare ad affrontare.
Le implicazioni per la scoperta di nuovi farmaci
La scoperta di nuovi farmaci richiede tempi lunghi e investimenti elevati. Una delle fasi più critiche consiste nel prevedere in modo affidabile come una molecola candidata possa interagire con una proteina. Migliorare questa capacità nelle prime fasi della ricerca potrebbe ridurre tempi, costi e fallimenti successivi.
Il lavoro di Cleveland Clinic, RIKEN e IBM non risolve da solo il problema, ma fornisce una dimostrazione concreta di come il quantum-centric supercomputing possa supportare calcoli più accurati su sistemi molecolari più ampi. Due aspetti sono particolarmente rilevanti: modellare il movimento degli atomi durante i processi biologici e calcolare con maggiore precisione le energie coinvolte.
Con l’evoluzione dei computer quantistici, questo tipo di integrazione nei flussi di lavoro scientifici potrebbe diventare utile anche per simulare catalizzatori enzimatici, meccanismi farmacologici e altri comportamenti molecolari oggi difficili da studiare solo con strumenti computazionali convenzionali.
Dal laboratorio quantistico alla ricerca applicata
Il risultato non va interpretato come l’arrivo immediato di nuovi farmaci progettati da computer quantistici. Sarebbe una lettura eccessiva. Il valore reale è più tecnico e, proprio per questo, più importante: la dimostrazione che architetture ibride quantistiche e classiche possono scalare verso problemi biologici più grandi e più vicini alla ricerca applicata.
Per la comunità scientifica, significa avere un percorso più credibile verso simulazioni molecolari di nuova generazione. Per IBM, significa rafforzare la tesi secondo cui il calcolo quantistico può diventare parte di infrastrutture di supercalcolo più ampie, non un sistema isolato.
La differenza rispetto al passato è sostanziale. Il quantum computing non viene più raccontato soltanto come promessa tecnologica, ma come componente di un modello computazionale capace di iniziare a produrre risultati misurabili su problemi complessi. Ed è qui che il traguardo dei 12.635 atomi assume il suo peso: non come record fine a sé stesso, ma come indicatore di maturazione verso applicazioni scientifiche reali.
