پیوند کد حیات با کیوبیت؛ برای نخستین‌بار ژنوم ویروس به کامپیوتر کوانتومی منتقل شد

لایوساینس، در پژوهش اخیر، ژنوم کامل ویروس هپاتیت D روی یک واحد پردازش کوانتومی ۱۵۶ کیوبیتی شرکت آی‌بی‌ام با نام «هیرون» بارگذاری شد. این کار در چارچوب رقابتی بین‌المللی با عنوان «چالش کوانتومی برای زیست‌شناسی» انجام گرفت که با هدف توسعه کاربردهای رایانش کوانتومی در حوزه سلامت انسان طراحی شده است.

ژنوم‌ها در حالت طبیعی به صورت رشته‌ای از چهار حرف A، C، G و T (یا U در RNA) ذخیره می‌شوند، درحالی‌که رایانه‌های کوانتومی با واحدهایی به نام کیوبیت کار می‌کنند. تفاوت مهم این است که نمی‌توان اطلاعات ژنتیکی را به سادگی و مستقیم وارد سیستم کوانتومی کرد، بلکه لازم است این داده‌ها ابتدا به ساختار ریاضی و کوانتومی قابل پردازش تبدیل شوند تا دستگاه بتواند آن را تحلیل کند.

ژنوم‌های زیستی که به‌صورت رشته‌های DNA یا RNA ذخیره می‌شوند، باید به ساختارهای ویژه کوانتومی تبدیل شوند تا برای کامپیوتر کوانتومی قابل استفاده باشند

در این پروژه، پژوهشگران مؤسسه سَنگر ولکام ژنوم ویروس هپاتیت D را به فرم سازگار با محاسبات کوانتومی ترجمه کردند. هدف آن‌ها این بود که به جای استفاده از مدل‌های صرفاً نظری، داده‌های واقعی ژنتیکی به محیط کوانتومی وارد و با کمک الگوریتم‌های جدید تحلیل شود. به گفته پژوهشگران، تمرکز آن‌ها بر ژنوم‌هایی بوده که بسیار پیچیده و متغیر هستند؛ مسائلی که در برخی موارد حتی برای کامپیوترهای کلاسیک و سامانه‌های پیشرفته هوش مصنوعی نیز چالش‌برانگیز محسوب می‌شوند.

سرگی استرلچوک، سرپرست پروژه و پژوهشگر دانشگاه آکسفورد، توضیح می‌دهد که هنگام بررسی پن‌ژنوم‌ها (یعنی مجموعه کامل ژن‌ها و تنوع ژنتیکی یک گونه که از کنار هم قراردادن ژنوم افراد مختلف، نه فقط یک فرد به دست می‌آید)، داده‌ها به شکل شبکه بسیار پیچیده و درهم‌تنیده دیده می‌شوند. در چنین ساختاری، روابط بین ژن‌ها و نمونه‌های مختلف آن‌قدر گسترده و پیچیده است که یافتن الگوهای دقیق و مسیرهای بهینه برای تحلیل، حتی برای کامپیوترهای قدرتمند کلاسیک نیز بسیار دشوار و زمان‌بر می‌شود.

استرلچوک تأکید کرد که هدف پروژه، طراحی روش‌ها و ابزارهایی است که بتوانند با استفاده از محاسبات کوانتومی، ساختارهای پیچیده را سریع‌تر و کارآمدتر تحلیل و الگوهای پنهان در آن‌ها را شناسایی کنند.

در همین چارچوب، پژوهشگران چهار توانایی مهم در حوزه ژنومیک را برای نخستین‌بار روی کامپیوتر کوانتومی واقعی آزمایش کردند. این توانایی‌ها شامل تبدیل داده‌های DNA به فرم قابل پردازش برای سیستم‌های کوانتومی، هم‌تراز کردن توالی‌های ژنتیکی برای مقایسه بخش‌های مشابه DNA، ساخت پن‌ژنوم از داده‌های ژنتیکی افراد مختلف یک گونه و همچنین بازسازی «درخت‌های تبارزایی» برای بررسی روابط تکاملی میان موجودات زنده بود.

‌شده برای این آزمایش، مربوط به ویروس هپاتیت D بود، زیرا این ویروس هم از نظر اندازه بسیار کوچک است و هم از نظر پزشکی اهمیت بالایی دارد. این ویروس که از نوع RNA حلقوی است، ژنومی حدود ۱۷۰۰ نوکلئوتیدی دارد و در عین کوچکی، ساختاری پیچیده و توان بالایی در جهش دارد. ویروس هپاتیت D می‌تواند از طریق مایعات آلوده به بدن منتقل و باعث عفونت‌های شدید کبدی شود؛ به همین دلیل، گزینه‌ای مناسب برای آزمایش فناوری‌های محاسباتی نوین در زیست‌پزشکی محسوب می‌شود.

پژوهشگران همچنین توضیح داده‌اند که یکی از حوزه‌هایی که رایانش کوانتومی می‌تواند در آن نقش مهمی ایفا کند، تحلیل پن‌ژنوم‌ها است. هرچه تعداد ژنوم‌های مورد بررسی بیشتر شود، حجم داده‌ها و پیچیدگی محاسبات در کامپیوترهای کلاسیک به شکل تصاعدی افزایش پیدا می‌کند؛ در حالی که رایانش کوانتومی ممکن است بتواند این حجم از پیچیدگی را کارآمدتر مدیریت کند.

با افزایش حجم داده‌های ژنتیکی، پیچیدگی محاسبات در کامپیوترهای کلاسیک به‌صورت تصاعدی افزایش می‌یابد، در حالی که محاسبات کوانتومی ممکن است کارآمدتر عمل کنند

در نگاه آینده‌نگر، پژوهشگران معتقدند چنین فناوری‌هایی می‌تواند در حوزه‌هایی مانند پایش سریع بیماری‌های عفونی، شناسایی جهش‌های ژنتیکی مرتبط با بیماری‌های نادر و بهبود روش‌های تشخیص و درمان نقش مهمی داشته باشد. به گفته جیمز مک‌کفرتی، مدیر ارشد اطلاعات مؤسسه سنگر ولکام، بارگذاری ژنوم هپاتیت D روی کامپیوتر کوانتومی می‌تواند درهای تازه‌ای را به سوی حل مسائلی باز کند که تاکنون برای کامپیوترهای کلاسیک حل‌نشدنی بوده‌اند.

با وجود این پیشرفت مهم، پژوهشگران تأکید کرده‌اند که کاربردهای عملی و گسترده این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارد و ممکن است چند سال زمان نیاز باشد تا به شکل قابل استفاده در سیستم‌های واقعی علمی و پزشکی درآید. هدف نهایی این توسعه یک سرویس کاربردی است که به پژوهشگران امکان دهد داده‌های ژنتیکی خود را وارد و بسته به نوع مسئله، از روش‌های کلاسیک، کوانتومی یا ترکیبی از هر دو برای تحلیل استفاده کنند.