Ένας ισχυρός μηχανισμός κβαντικής χημείας είναι πλέον διαθέσιμος και μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να αντιμετωπίσουν πολύπλοκα χημικά προβλήματα. Η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να επιταχύνει δραστικά την έρευνα στην ανακάλυψη φαρμάκων, στην επιστήμη υλικών και σε άλλους τομείς, υποστηρίζει η εταιρεία QDX που βρίσκεται πίσω από αυτό το προηγμένο λογισμικό.
Η κβαντική χημεία είναι ο κλάδος εκείνος της Θεωρητικής Χημείας (και ειδικότερα της Θεωρητικής Φυσικοχημείας) ο οποίος αποτελεί εφαρμογή της Κβαντικής Μηχανικής (κλάδος της Φυσικής) στα προβλήματα της Χημείας

Το σύστημα Extreme scale Electronic Structure System, γνωστό ως EXESS, μπορεί να εκτελεί περισσότερους από ένα πεντάκις εκατομμύριο υπολογισμούς το δευτερόλεπτο για την αντιμετώπιση ζητημάτων κβαντικής χημείας σύμφωνα με ανακοίνωση εκπροσώπων της QDX.

Οι υπολογισμοί κβαντικής χημείας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων και υλικών. Για παράδειγμα, οι ερευνητές χρησιμοποιούν προσομοιώσεις κβαντικής χημείας για να κατανοήσουν πώς τα φάρμακα αλληλεπιδρούν με μοριακές θέσεις πρόσδεσης στο σώμα. Αυτή η κατανόηση μπορεί να βοηθήσει στην τροποποίηση του μορίου ενός φαρμάκου ώστε να βελτιστοποιηθεί η ταχύτητα και η αποτελεσματικότητα της σύνδεσης.

Ωστόσο, παραδοσιακά, η μοντελοποίηση στην κβαντική χημεία απαιτεί τεράστια υπολογιστική ισχύ. Όπως δήλωσε στο Live Science ο διευθύνων σύμβουλος της QDX Λουνγκ Γουάνγκ σε πολλές περιπτώσεις είναι πραγματικά ταχύτερο να συνθέσει κανείς μια ένωση και να τη δοκιμάσει σε διάστημα εβδομάδων παρά να εκτελέσει τον αντίστοιχο υπολογισμό για αυτήν την ένωση.

Η απαιτούμενη υπολογιστική ισχύς αυξάνεται εκθετικά με τον αριθμό των ατόμων στο σύστημα. Η ακριβής επίλυση προβλημάτων με μεγάλα μόρια, όπως οι πρωτεΐνες που μπορούν να περιέχουν χιλιάδες άτομα, γίνεται γρήγορα μη βιώσιμη. Σκοπός του EXESS σύμφωνα με τον Γουάνγκ είναι να καταστήσει την κβαντική χημεία αρκετά γρήγορη ώστε να μπορεί να χρησιμοποιείται στην πράξη.

Οι δυνατότητες
Σύμφωνα με την QDX το EXESS λειτουργεί τρεις έως τέσσερις χιλιάδες φορές ταχύτερα από πολλά άλλα πακέτα λογισμικού κβαντικής χημείας, ανοίγοντας τον δρόμο για υπολογισμούς σε μεγάλα μόρια όπως οι πρωτεΐνες. Δεν υπάρχει μία και μοναδική καινοτομία που να ευθύνεται για αυτή τη μεγάλη αύξηση ταχύτητας και το σύστημα λειτουργεί σε συμβατικό υλικό, χωρίς να απαιτείται κβαντικός υπολογιστής. Αντίθετα η ερευνητική ομάδα βελτιστοποίησε πολλά επιμέρους στοιχεία του λογισμικού τα οποία συνδυαστικά αυξάνουν την ταχύτητα και την κλίμακα των υπολογισμών.

Ορισμένοι υπολογισμοί που θεωρητικά θα χρειάζονταν περίπου έναν μήνα μπορούν να ολοκληρωθούν σε περίπου 12 λεπτά με τη χρήση του EXESS σύμφωνα με τους δημιουργούς του.

Ένας από τους τρόπους με τους οποίους η ομάδα επιτάχυνε τους υπολογισμούς ήταν η εκτέλεση πολλαπλών διεργασιών ταυτόχρονα. Πολλοί αλγόριθμοι κβαντικής χημείας έχουν σχεδιαστεί ώστε να λειτουργούν διαδοχικά, βήμα προς βήμα. Ωστόσο, ακόμη και με εξαιρετικά μεγάλη υπολογιστική ισχύ, δεν είναι δυνατόν να συμπτυχθεί ο χρόνος εκτέλεσης αν η διαδικασία παραμένει αυστηρά σειριακή. Η ομάδα τροποποίησε αλγορίθμους και θεωρητικές προσεγγίσεις ώστε να επιτρέπεται η παράλληλη εκτέλεση περισσότερων διαδικασιών, όπως σε μια βιομηχανική κουζίνα που παράγει πολλές συνταγές ταυτόχρονα.

Για παράδειγμα εφάρμοσαν μια τεχνική γνωστή ως μοριακός κατακερματισμός η οποία διασπά ένα πρόβλημα σε μικρότερα τμήματα, υπολογίζει αυτά τα τμήματα ταυτόχρονα και στη συνέχεια τα συνδυάζει ξανά. Αυτό επέτρεψε την επιτάχυνση μεγάλων υπολογισμών μέσω της παράλληλης εκτέλεσης πολλών μικρότερων υπολογισμών.

Η QDX επικεντρώνεται επί του παρόντος στη χρήση του EXESS για την ανακάλυψη φαρμάκων, εντοπίζοντας και βελτιστοποιώντας αλληλεπιδράσεις μεταξύ φαρμάκων και οργανισμού ή κατανοώντας καλύτερα πώς λειτουργούν τα υπάρχοντα φάρμακα και γιατί αναπτύσσεται αντοχή σε αυτά. Ωστόσο, η εταιρεία προσφέρει δωρεάν πρόσβαση για εγκεκριμένα ερευνητικά έργα, ενώ μια περιορισμένη έκδοση του λογισμικού είναι διαθέσιμη και στο ευρύ κοινό.

Ο Γουάνγκ δήλωσε ότι ελπίζει οι ερευνητές να αξιοποιήσουν το σύστημα για προβλήματα πέρα από αυτά στα οποία εστιάζει σήμερα η εταιρεία επισημαίνοντας ότι το μεγαλύτερο μέρος των πιθανών εφαρμογών της κβαντικής χημείας παραμένει ακόμη ανεκμετάλλευτο και θα μπορούσε να οδηγήσει σε απρόσμενες εξελίξεις.

ΠΗΓΗ: Naftemporiki.gr