Ещё не созданные квантовые компьютеры уже учатся вычислять генетические заболевания

Алгоритм Марии Шульд

Стефан Бекиранов (Stefan Bekiranov) из Медицинской школы университета Вирджинии (University of Virginia School of Medicine) разработал алгоритм для изучения генетических заболеваний для квантовых компьютеров такой мощности, которые ещё только должны появиться в будущем.

Созданный алгоритм, когда сможет быть реализован, поможет продвинуть разработку и алгоритмов квантовых вычислений и может сильно продвинуть область генетических исследований буквально за один день.

Квантовые компьютеры все еще находятся в зачаточном состоянии. Но когда они начнут функционировать, возможно, в течение десятилетия, они могут предложить вычислительную мощность в масштабе, невообразимом при использовании традиционных компьютеров.

«Мы разработали и внедрили алгоритм классификации генетических образцов, который является фундаментальным для области машинного обучения на квантовом компьютере и может использовать сильные стороны квантовых компьютеров… Это, безусловно, первое опубликованное исследование квантовых компьютеров, финансируемое Национальным институтом психического здоровья, и, возможно, первое исследование с использованием так называемого универсального квантового компьютера, финансируемого Национальными институтами здоровья», сказал Бекиранов.

Традиционные компьютерные программы построены на двоичном коде, в котором есть только 1 или 0. Но квантовые компьютеры используют причудливый фундамент квантовой физики: что-то может быть и не быть одновременно. Вместо только 1 или 0, в программах квантовом компьютере 1 и 2 могут присутствовать одновременно. Это позволяет компьютеру реализовывать гораздо больше возможностей одновременно.

Проблема в том, что технология, мягко говоря, технически сложна. Многие квантовые компьютеры должны функционировать при температуре абсолютного нуля, что эквивалентно ниже 450 градусов по Фаренгейту или 273 ниже нуля по Цельсию. Даже тогда движение молекул, окружающих квантовые вычислительные элементы, может испортить вычисления, поэтому алгоритмы должны содержать не только инструкции о том, что делать, но и о том, как компенсировать возникновение ошибок.

«Наша цель состояла в том, чтобы разработать квантовый классификатор, который мы могли бы реализовать на реальном квантовом компьютере IBM. Но основные статьи по изучению квантовой машины были в высшей степени теоретическими и требовали аппаратного обеспечения, которого не было. Мы наконец нашли документы доктора Марии Шульд (Maria Schuld), которая является пионером в разработке реализуемых краткосрочных алгоритмов обучения квантовой машины. Наш классификатор основан на разработках доктора Шульда… После того, как мы начали тестировать классификатор в системе IBM, мы быстро обнаружили его текущие ограничения и на данный момент можем лишь успешно реализовать значительно упрощенную или «игровую» версию», - сказал Бекиранов.

Классификация геномных данных

Новый алгоритм по существу классифицирует геномные данные. Он может определить, будет ли тестовый образец взят из болезни или контрольного образца экспоненциально быстрее, чем обычный компьютер. Например, если бы они использовали все четыре строительных блока ДНК (A, G, C или T) для классификации, обычный компьютер выполнил бы 3 миллиарда операций для классификации образца. Новому квантовому алгоритму потребуется всего 32.

Это поможет ученым разобраться в огромном количестве данных, необходимых для генетических исследований. Но это также подтверждение концепции полезности технологии для таких исследований.

Бекиранов и сотрудник Кунал Катурия (Kunal Kathuria), доктор философии, смогли создать алгоритм, потому что они были обучены квантовой физике, области, которую даже ученые часто находят непрозрачной. Такие алгоритмы чаще появляются на факультетах физики или информатики, чем в медицинских школах.

Из-за особого набора навыков исследователей, сотрудники Национального института психического здоровья при Национальном институте здоровья помогли им в реализации этого сложного проекта. Бекиранов и Катурия надеются, что то, что они разработали, принесет большую пользу и квантовым вычислениям и, в конечном итоге, здоровью человека.

«Проблемы разработки мощного универсального квантового компьютера огромны. Чтобы их решить, необходим устойчивый прогресс и многочисленные научные открытия. Но физики-экспериментаторы и физики, работая вместе, постоянно сталкиваются с проблемами. Если и когда они разрабатывают мощный универсальный квантовый компьютер, я верю, что он произведет революцию в вычислениях и будет считаться одним из величайших научных и инженерных достижений человечества».