Российские ученые нашли практическое применение квантовых алгоритмов в области вычислительной биологии. Исследователи прогнозируют скорое внедрение квантовых алгоритмов в моделирование биомолекул и производство новых лекарств.
Руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра и профессор МФТИ Алексей Федоров совместно с вице-президентом по биомедицинским исследованиям Сколтеха Михаилом Гельфандом изучили практическое применение квантовых алгоритмов в области вычислительной биологии.
Сферы применения квантовых вычислений
Ученые выделили несколько направлений, в которых квантовые вычисления могут быть полезны уже в перспективе 3–5 лет: задачи квантовой химии, предсказание белковых структур и взаимодействия белков с малыми молекулами (потенциальными лекарствами), а также ускорение сборки геномов. Обзор поддержан РНФ, РФФИ и выполнен в рамках реализации дорожной карты по квантовым вычислениям.
Квантовый компьютер ускорит алгоритмы оптимизации и машинного обучения при обработке биологических данных. Так, одни из ключевых задач квантовой химии – изучение биохимических реакций и точная характеристика биологических систем на молекулярном уровне – могут быть решены принципиально в ином масштабе, чем при использовании классических вычислительных устройств.
Внедрение квантовых алгоритмов способствует более детальному пониманию нитрогеназы – фермента, обеспечивающего процесс фиксации атмосферного азота. Нитрогеназа играет важную роль в обогащении почвы и водоемов связанным азотом, что критически необходимо для поддержания жизнедеятельности растений и многих микроорганизмов. В промышленности особый интерес представляет взаимодействие нитрогеназы с FeMo-кофактором, моделирование которого позволит значительно повысить эффективность производства аммиака, на которую тратится до 3% всей перерабатываемой мировой энергии.
Ускорить создание новых лекарств
Крайне сложно предсказать трехмерную структуру белка, используя классические компьютеры. Ученые обращают внимание, что поиск белковых структур с использованием квантовых алгоритмов даст возможность качественно ускорить создание новых лекарств. Исследователи связывают потенциальный прорыв с внедрением искусственного интеллекта, как это было ранее продемонстрировано DeepMind, квантовыми вычислениями, а также их синергией.
«Все эти задачи в данный момент решаются на модельном уровне, но пока не на том масштабе данных, чтобы извлечь из этого промышленную пользу. Можно полагать, что мы увидим первые значимые результаты от применения квантовых алгоритмов в области биоинформатики на горизонте 2–3 лет. Следующий шаг после этого будет связан с промышленным внедрением квантовых компьютеров и масштабированием их применений», – подчеркнул руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра и профессор МФТИ Алексей Федоров.
На пороге технологической революции
Прогресс в понимании нашего мира в мельчайших деталях, не исключено, приближает человечество к новой технологической революции, управляемой квантовой физикой.
Преимущества квантовых явлений, квантовые вычислительные устройства помогают ускорить решение сложных задач. Авторы исследования анализируют потенциальное влияние квантовых вычислений на вычислительную биологию.
Принимая во внимание ограничения существующих устройств квантовых вычислений, ученые указали перспективные направления дальнейших исследований в сфере квантовой вычислительной биологии, которая активно развивается.
Результаты выполненного российскими учеными исследования опубликованы в новом журнале семейства Nature – Nature Computational Science.
Объединение усилий на базе национальной лаборатории
В ноябре 2020 года началась реализация федерального проекта «Национальная квантовая лаборатория». Цель проекта – объединение усилий и ресурсов ключевых университетов, научных центров, технологических компаний, финансовых организаций, стартапов и команд-разработчиков в области создания квантовых компьютеров.
Первыми в Национальную квантовую лабораторию вступили семь структур: организация Госкорпорации Росатом – СП «Квант», Российский квантовый центр, НИУ «ВШЭ», НИТУ «МИСиС», МФТИ (НИУ), Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН и Фонд «Сколково». Участники сосредоточатся на решении таких задач, как создание новой и обновление существующей инфраструктуры, подготовка кадров.
