Результаты эксперимента были представлены на VI Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2021, включенной в план мероприятий Года науки и технологий.
Одна из самых трудозатратных и долгих частей расшифровки ДНК — сборка виртуальной копии генома из множества обрывков, считанных при помощи устройств, которые обычно используются для расшифровки генетического кода.
Группа ученых из Российского квантового центра под руководством Алексея Федорова и исследователей компании «Genotek» нашла способ ускорить этот процесс с помощью устройства квантового отжига — определенного типа квантовых компьютеров.
Участники эксперимента показали эффективность квантовых вычислений в биоинформатических задачах, впервые проведя исследования как на основе реальных, так и смоделированных данных.
«Биоинформатика и генетика часто сталкиваются со сложными вычислительными задачами, решение которых может быть ускорено за счет квантовых компьютеров. В рамках нашего исследования мы показали возможность использовать устройства квантового отжига для решения задач сборки генома. Мы также использовали квантово-вдохновленный алгоритм отжига, который основан на моделировании поведения квантовых систем. В будущем спектр применения квантовых вычислительных технологий в задачах генетики может быть значительно расширен», — сообщил ведущий автор исследования Алексей Федоров.
Квантовые вычислительные устройства способны обработать большее количество переменных, при этом кратно сокращая не только временные, но и финансовые затраты. Результаты могут значительно облегчить изучение новых видов и структурных изменений ДНК, которые не удается обнаружить методом классического картирования, и геномных перестроек в раковых клетках. Таким образом, внедрение квантовых технологий способствует развитию персонализированной медицины.
«Возможности квантовых компьютеров позволяют по-новому взглянуть на задачи, в том числе биоинформатические, которые ранее казались вычислительно слишком сложными. В нашем исследовании мы оценили перспективы применения квантовых компьютеров в анализе геномов человека и других организмов. На стыке этих областей появляются новые методы, с помощью которых растущие объемы данных анализируются более качественно (прим., геном одного человека занимает порядка 100 Gb). Кроме того, новые методы позволяют не ждать сутками результатов генетических исследований в тех ситуациях, когда счет идет на часы», — рассказал Директор по продукту Genotek Александр Ракитько.
Проведенное исследование было поддержано Российским научным фондом, а также доступом к квантовым вычислительным устройствам в рамках глобальной борьбы с COVID-19.
Результаты исследований были опубликованы в журнале семейства Nature — Scientific Reports.