- Vollständiges Hepatitis-D-Genom als Meilenstein des Proof-of-Concept in einen Quantenprozessor kodiert
- Forscher streben künftig eine 100-fache Beschleunigung komplexer Aufgaben zur Analyse des menschlichen Pangenoms an
- Wissenschaftler warnen davor, dass die praktische Quantengenomik immer noch mit Skalierungs- und Hardwarebeschränkungen konfrontiert ist
Wissenschaftler haben zum ersten Mal ein vollständiges Genom auf einen Quantencomputer geladen und damit einen ersten Schritt zur Lösung biologischer Probleme getan, die herkömmliche Systeme leicht überfordern.
Pünktlich zum Weltquantentag treffen sich Teams der Willkommen, Sanger Institut und die Universitäten Oxford, Cambridge und Melbourne kodierten das vollständige Genom des Hepatitis-D-Virus in Quantenhardware.
Das Hep-D-Virus trägt ein kompaktes Genom von etwa 1.700 Basenpaaren und eignet sich daher als Proof-of-Concept-Ziel.
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Komprimierung genetischer Informationen in Quantenzustände
Forscher verwendeten den kleineren Datensatz, um zu testen, ob echte biologische Daten in ein Format übersetzt werden können, das Quantenmaschinen verarbeiten können.
Das Genom wurde mithilfe seines 156-Qubit-Heron-Prozessors auf einen IBM-Quantencomputer geladen.
Um die Sequenz erfolgreich zu kodieren, musste die genetische Information in Quantenzustände komprimiert werden, die in die verfügbaren Qubit-Grenzen passen.
Herkömmliche Computer haben Schwierigkeiten, mit der Flut an Genomdaten Schritt zu halten, was zu Verarbeitungsengpässen führt, die die Geschwindigkeit einschränken, mit der Wissenschaftler Variationen zwischen Populationen analysieren können. Die Entwicklung hin zu Pangenomen, die Sequenzen von vielen Individuen kombinieren, erhöht die Komplexität zusätzlich.
Anstatt sich auf eine einzige Referenzsequenz zu verlassen, verzweigen sich Pangenome in mehrere Pfade, die die genetische Vielfalt repräsentieren. Das Finden nützlicher Muster innerhalb dieser Verzweigungspfade wird schnell rechenintensiv, insbesondere wenn die Datensätze wachsen.
„Unser Ziel war es immer, die Grenzen des Möglichen in der Genomik zu erweitern“, sagte Dr. Sergii Strelchuk von der Universität Oxford. „Wenn wir mit Pangenomen arbeiten, werden die Informationen in Form eines verworrenen Labyrinths präsentiert, aber wir entwickeln Quantenalgorithmen, um den besten Weg durch dieses Labyrinth zu finden, wenn normale Werkzeuge, wie klassische Computer, einfach hoffnungslos stecken bleiben.“
Quantencomputing bietet einen möglichen Weg nach vorne, indem es viele mögliche Ergebnisse gleichzeitig innerhalb von Qubit-Zuständen darstellt. Diese Fähigkeit könnte es ermöglichen, dass bestimmte Genomberechnungen weitaus schneller ablaufen als klassische Ansätze.
Die an dem Projekt beteiligten Forscher streben einen künftigen Maßstab für die Verarbeitung vollständiger menschlicher Pangenome an, die bis zu 100-mal schneller als mit herkömmlichen Werkzeugen verarbeitet werden soll. Der Hepatitis-D-Test selbst liefert nicht diese Geschwindigkeit, zeigt aber einen Weg auf, Quantenvorteile in größeren Maßstäben zu erzielen.
Einige Wissenschaftler sind weiterhin vorsichtig, was die Geschwindigkeit dieses Übergangs angeht. Als Science.org Berichten zufolge ist nicht bekannt, ob Quantensysteme die etablierten klassischen Methoden übertreffen werden, bis sie größere Genome verarbeiten und vollständige Analysen durchführen können.
Trotz dieser Einschränkungen stellt das Laden eines vollständigen Genoms in Quantenhardware einen beeindruckenden technischen Meilenstein dar. Die nächste Phase konzentriert sich auf die Skalierung des Ansatzes und die Umwandlung experimenteller Arbeitsabläufe in Werkzeuge, die andere Forscher nutzen können.
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