Группа ученых из «Российского квантового центра» под руководством Алексея Федорова совместно с исследователями из компании «Genotek» сократила время сборки генома с помощью квантовых и квантово-вдохновленных алгоритмов. В ходе эксперимента исследователи сравнили данные, полученные на устройстве квантового отжига (ионный процессор) и российском программном эмуляторе SimCIM для модельных данных и для генома реального организма бактериофага. Результаты были опубликованы в журнале семейства Nature — Scientific Reports и представлены на VI Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2021. Исследование было поддержано Российским научным фондом, а также доступом к квантовым вычислительным устройствам в рамках глобальной борьбы с COVID-19.
Ионный процессор
Первый геном был секвенирован более 40 лет назад (бактериофаг фХ 174). Однако если первая сборка генома человека заняла около 13 лет, то сегодня государственные и частные учреждения способны реализовывать этот процесс за несколько недель. Участники эксперимента показали эффективность квантовых вычислений в биоинформатических задачах, впервые проведя исследования как на основе реальных, так и смоделированных данных. Квантовые вычислительные устройства способны обработать большее количество переменных, при этом кратно сокращая не только временные, но и финансовые затраты.
В рамках проведенного исследования специалисты «Российского квантового центра» показали возможность использовать определенные типы квантовых компьютеров — устройства квантового отжига или ионные процессоры — для решения задач сборки генома. Они использовали квантово-вдохновленный алгоритм отжига, который был посчитан с помощью облачных вычислений и основан на моделировании поведения квантовых систем. Полученные результаты могут значительно облегчить изучение новых видов и структурных изменений ДНК, которые не удается обнаружить методом классического картирования, и геномных перестроек в раковых клетках. Таким образом, внедрение квантовых технологий способствует более оперативному развитию персонализированной медицины.
«Одна из важнейших задач квантовых вычислений — это поиск полезных приложений, — считает ведущий автор исследования «Российского квантового центра» Алексей Федоров. — Биоинформатика и генетика часто сталкиваются со сложными вычислительными задачами, решение которых может быть ускорено за счет квантовых компьютеров. В будущем спектр применения квантовых вычислительных технологий в задачах генетики может быть значительно расширен».
Медицинские перспективы квантовых вычислений
«Возможности квантовых компьютеров позволяют по-новому взглянуть на задачи, в том числе биоинформатические, которые ранее казались вычислительно слишком сложными, — заявил директор по продукту Genotek Александр Ракитько. — В нашем исследовании мы оценили перспективы применения квантовых компьютеров в анализе геномов человека и других организмов. На стыке этих областей появляются новые методы, с помощью которых растущие объемы данных анализируются более качественно. Кроме того, новые методы позволяют не ждать сутками результатов генетических исследований в тех ситуациях, когда счет идет на часы».
