Впервые полный геном загрузили в квантовый компьютер
Ученые впервые загрузили в квантовый компьютер полный, пусть и крошечный, геном — вируса гепатита D. Тем самым они показали, что эти пока еще экзотические машины станут в будущем рабочим инструментом медиков и исследователей.
О достижении рассказал журнал Science со ссылкой на сообщение Института Сенгера. По своему значению этот прорыв издание сравнивает с расшифровкой генома человека в начале 2000-х годов.
«Это необходимый шаг. Если мы хотим заниматься обработкой геномных данных, сперва их нужно загрузить», — считает Гульельмо Маццола, специалист по квантовым алгоритмам из Международной школы перспективных исследований в Триесте (Италия).
Кубиты могут быть одновременно в состоянии и 0, и 1. И эта их особенность позволяют квантовому компьютеру решать задачи, непосильные для обычных машин. В том числе оптимизационные — с ответами в виде множества волноподобных состояний кубитов. По мере эволюции этих состояний они интерферируют, как круги на воде: хорошие решения становятся вероятнее, плохие — менее вероятны.
Такой подход может быть полезен для изучения огромного генетического разнообразия, встречающегося у людей и других организмов. Хотя генетики долгое время полагались на референсные геномы в виде единых линейных последовательностей, они все чаще обращаются к пангеномам, которые фиксируют множество возможных последовательностей ДНК или РНК внутри вида, разветвляясь на альтернативные версии. Пангеномы считаются ключом к персонализированной медицине и пониманию эволюции патогенов, но с вычислительной точки зрения они очень сложны. Их построение и анализ предполагают поиск путей в огромном запутанном лабиринте возможных комбинаций последовательностей — а это как раз та задача, в которой квантовый компьютер мог бы преуспеть.
Вирус гепатита D был выбран для загрузки неслучайно — его геном самый маленький среди вирусов человека, при этом патоген имеет большое клиническое значение. Благодаря эффективным алгоритмам сжатия последовательностей ДНК и кодирования их в квантовые состояния, РНК из примерно 1700 оснований уместилась в 117 кубитах 156-кубитного квантового компьютера IBM.
Вычислительный биолог Стефан Бекиранов из Вирджинского университета высоко оценил достижение с технической точки зрения, но по его мнению, квантовая геномика в ближайшее время не взлетит: «Вы конкурируете с чрезвычайно мощными классическими вычислительными алгоритмами. Впереди огромная работа».
«Неизвестно пока, принесут ли квантовые компьютеры реальную пользу в этой области», — согласен Маццола.
Информатик Сергей Стрельчук из Оксфордского университета, который руководил исследованием, настроен оптимистичнее: до квантового кодирования генома человека с его 3,1 миллиарда пар оснований действительно еще далеко, но можно сначала сосредоточиться на более коротких, но медицински важных и сильно изменчивых участках нашей ДНК.
