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

دانشمندان برای نخستین بار موفق شده‌اند ژنوم کامل ویروسی را به شکلی بازنویسی و به کامپیوتر کوانتومی منتقل کنند تا این سیستم بتواند آن را پردازش و تحلیل کند. این دستاورد، گامی مهم در مسیر پیوند میان زیست‌شناسی و محاسبات کوانتومی به شمار می‌رود و می‌تواند در آینده به تحول در تحلیل داده‌های ژنتیکی و پزشکی منجر شود.

به گزارش 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.

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.

ژنوم انتخاب‌شده 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 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 گروه، 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.