Resumo interno:
- Pesquisadores do King's College London e do Laboratório Cavendish simularam com sucesso a hemocianina, uma proteína usada no transporte de oxigênio e no desenvolvimento de uma vacina contra o câncer, usando algoritmos quânticos, superando as limitações dos métodos computacionais clássicos que lutam com interações eletrônicas complexas.
- O estudo usou o eigensolver quântico variacional (VQE) e o modelo de impureza de Anderson (AIM) para capturar as interações altamente correlacionadas entre átomos de cobre e ligantes de oxigênio na hemocianina.
- O estudo destacou que a escolha do ansatz – especialmente o ansatz de cluster unido – melhorou a precisão da simulação.
- Apesar das atuais limitações de hardware, a investigação mostra que a computação quântica pode reduzir o esforço computacional necessário para simular sistemas complexos, fornecendo informações sobre objetos com interações não locais, embora ainda sejam necessários mais avanços na computação quântica.
Modelar as complexas interações dentro da hemocianina, uma proteína importante para o transporte de oxigênio e para o desenvolvimento de vacinas contra o câncer, tem sido um desafio computacional clássico. Os métodos tradicionais lutam para capturar toda a gama de interações eletrônicas, especialmente o complexo mecanismo de supertroca entre átomos de cobre e ligantes de oxigênio. Uma pré-impressão recente do arXiv de pesquisadores do King's College London e do Canvendish Laboratory combina soluções de computação quântica na tentativa de superar essas limitações, apresentando a primeira simulação de hemocianina usando algoritmos quânticos.
O Desafio da Hemocianina
A hemocianina é uma proteína respiratória associada ao transporte de oxigênio em certos invertebrados. Além dessa atividade natural, também faz parte do tratamento do câncer, que é utilizado por suas propriedades imunoestimulantes. No entanto, conforme observado no estudo, modelar o mecanismo de ligação ao oxigênio da hemocianina ainda é um desafio, principalmente devido à complexa interação de supertroca entre átomos de cobre e ligantes de oxigênio dentro da proteína. As simulações clássicas muitas vezes não conseguem capturar essas interações não locais, onde o comportamento de uma parte de um sistema depende do estado de outra parte localizada distante – um sistema altamente correlacionado.
De acordo com a pesquisa, métodos tradicionais como a teoria do funcional da densidade (DFT) e a teoria dinâmica do campo médio (DMFT) só podem modelar interações simples, que geralmente tratam os átomos de cobre individualmente, em vez de levar em conta toda a gama de interações presentes no sistema. Para resolver essa limitação, a pesquisa utilizou métodos de computação quântica usando um autosolver quântico variacional, que permite aos pesquisadores simular essas interações com maior precisão.
A caixa de ferramentas quântica: um modelo diferencial do Quantum Eigensolver e Anderson Impairment de sistemas de partículas
VQE é um algoritmo híbrido quântico-clássico que usa computadores quânticos e clássicos para estimar a energia do estado fundamental de um sistema molecular. Neste estudo, a molécula de hemocianina foi modelada usando o modelo de impureza de Anderson, uma técnica projetada para capturar interações complexas entre múltiplas superfícies atômicas, como aquelas observadas em compostos de metais de transição.
Conforme descrito no estudo, a configuração AIM da hemocianina modela dois átomos de cobre como locais de impureza, e sua interação é mediada por uma ponte de átomos de oxigênio. Ao mapear essas interações em qubits, os pesquisadores conseguiram simular a estrutura magnética da molécula de forma muito mais eficaz do que as simulações clássicas.
O método VQE, baseado no princípio da variação de Rayleigh-Ritz, melhora o desempenho das wavelets na tentativa de estimar a energia do estado fundamental do sistema. Outra descoberta importante deste estudo é que a escolha do ansatz, ou função de onda experimental utilizada na simulação, tem um impacto significativo na precisão dos resultados. Os pesquisadores compararam vários tipos de ansatz, incluindo ansatzes com eficiência de hardware e ansatze de cluster unitário acoplado inspirado na química, e descobriram que o último deu resultados mais precisos quando aplicado ao sistema de hemocianina.
O papel da computação quântica no avanço da química quântica
A pesquisa enfatiza as limitações do hardware quântico atual, os dispositivos NISQ, que são propensos a erros devido ao ruído dos sistemas quânticos. Apesar dessas limitações, a equipe de pesquisa conseguiu mitigar parte do ruído usando técnicas como extrapolação de ruído zero, o que os ajudou a obter resultados significativos mesmo em plataformas de hardware barulhentas como IBM Quantum e Quantinuum.
O sucesso dessas simulações com hemocianina sugere que a computação quântica pode reduzir bastante o esforço computacional necessário para modelar sistemas complexos e altamente correlacionados. Em particular, a investigação destaca que a utilização de algoritmos quânticos como o VQE pode acelerar a nossa compreensão de materiais com interações não locais, como os encontrados em proteínas de metais de transição ou supercondutores de alta temperatura.
Implicações para pesquisas futuras
Embora a simulação da hemocianina seja promissora para futuros estudos relacionados, o estudo observa que ainda estamos longe de compreender todo o potencial da computação quântica para a simulação de grandes moléculas. Um dos maiores desafios é escalar simulações quânticas para grandes sistemas, o que exigirá maior desenvolvimento tanto em hardware quanto em algoritmos quânticos. Os pesquisadores por trás deste estudo incentivam a comunidade científica em geral a usar o modelo de hemocianina como referência para testar a eficácia de novos algoritmos quânticos para aplicações químicas.
Os autores que contribuíram para o estudo incluem Elena Chachkarova, Terence Tse, Yao Wei, Cedric Weber e Yordan Yordanov.
