ТАСС, 14 июля. Российские ученые использовали квантовый отжигатель компании D-Wave – один из вариантов аналоговой квантовой вычислительной машины – чтобы ускорить расшифровку генома. Результаты исследования опубликовал научный журнал Scientific Reports, кратко об этом пишет пресс-служба Российского квантового центра (РКЦ).
Квантовыми компьютерами называют вычислительные устройства, в основе работы которых лежат принципы квантовой механики. В отличие от обычных компьютеров, в которых для передачи и обработки данных используются биты – единицы информации, которые содержат либо 1, либо 0, квантовые компьютеры оперируют кубитами – ячейками памяти и примитивными вычислительными модулями, которые могут хранить в себе одновременно и ноль, и единицу. Благодаря этому квантовые компьютеры могут обрабатывать большие объемы информации во много раз быстрее обычных – даже если это суперкомпьютеры с огромными вычислительными мощностями.
Полноценных квантовых компьютеров ученые пока не создали. Сейчас существуют только их прототипы – например, в 2017 году физик из Гарвардского университета Михаил Лукин рассказал о создании 51-кубитного прототипа, а компания Google в 2019-м году – о 53-кубитном прототипе под названием Sycamore, в начале декабря 2020 года китайские ученые создали фотонный квантовый компьютер "Цзю Чжан".
Существует два подхода к разработке квантовых компьютеров – классический и адиабатический. В первом случае вычислительное устройство по принципу работы походит на обычные цифровые компьютеры. Адиабатический квантовый компьютер создать проще классического, но по принципам работы он ближе к аналоговым вычислителям начала прошлого века, которые предназначались для решения одной конкретной проблемы.
В отличие от других участников "квантовой гонки", компания D-Wave уже много десятилетий развивается именно по этому пути, благодаря чему в ее вычислительных машинах в десятки или даже в сотни раз больше кубитов, чем в прототипах квантовых компьютеров Google, IBM и университетских научных групп.
Алексей Федоров и его коллеги по РКЦ вместе со специалистами из российского медико-генетического центра Genotek выяснили, что подобные устройства можно использовать, чтобы ускорить одну из самых трудозатратных и долгих частей расшифровки ДНК – сборку виртуальной копии генома из множества обрывков, считанных при помощи устройств, которые обычно используются для расшифровки генетического кода.
Как правило, сделать это достаточно если у ученых уже есть хотя бы один пример расшифрованного генома того вида, с чьей ДНК они работают. В противном случае этот процесс может потребовать огромного количества вычислительных ресурсов и времени.
"В нашем исследовании мы оценили перспективы применения квантовых компьютеров в анализе геномов человека и других живых существ. На стыке этих областей появляются новые методы, с помощью которых растущие объемы данных анализируются более качественно. Они позволяют не ждать сутками результатов генетических исследований в тех ситуациях, когда счет идет на часы", – отметил директор по продукту Genotek Александр Ракитько.
Ученые попытались разработать алгоритмы, которые позволили бы ускорить процесс финальной сборки генома, используя квантовую машину D-Wave или ее виртуальные аналоги. Их работа опирается на то, что многие фрагменты ДНК, которые считывает система расшифровки генома, часто пересекаются друг с другом. Благодаря этому можно восстановить полный геном, если сопоставить этих обрывки и соединить их в единое целое.
С вычислительной точки зрения, при использовании классических компьютеров, подобный подход достаточно неэффективен. Однако ученые адаптировали его для выполнения на квантовом отжигателе D-Wave. Для проверки этих алгоритмов ученые избрали ДНК вируса-бактериофага фи-икс-174, геном которого ученые первым полностью расшифровали.
Расчеты показали, что подобный подход позволяет значительно ускорить процесс сборки коротких фрагментов генома как на реальном квантовом компьютере, так и на его виртуальном аналоге. Как подчеркивают ученые, решение более сложных практически значимых задач потребует создания нового поколения машин, ячейки памяти которых должны работать дольше, чем это делают кубиты в устройстве компании D-Wave. Исследователи надеются, что подобные компьютеры появятся уже в ближайшие годы или десятилетия.