Существует две категории призов. Приз в размере 2 миллионов долларов достанется всем командам, которые смогут запустить сколь-нибудь полезный алгоритм для здравоохранения на компьютерах с 50 или более кубитами (кубит — базовая единица обработки в квантовом компьютере). Чтобы выиграть главный приз в размере 5 миллионов долларов, команда должна успешно запустить квантовый алгоритм, решающий значимую реальную проблему в здравоохранении, и работа должна использовать 100 или более кубитов. Победители должны соответствовать строгим критериям производительности и решить проблему здравоохранения, которую невозможно решить с помощью обычных компьютеров, — это сложная задача.
Несмотря на масштаб вызова, большинство команд считают, что часть этих денег может достаться им. «Я думаю, у нас хорошие шансы», — говорит Джонатан Д. Хирст, вычислительный химик из Ноттингемского университета, Великобритания. «Мы твердо соответствуем критериям для получения приза в 2 миллиона долларов», — говорит Грант Ротскофф из Стэнфордского университета, чье сотрудничество исследует квантовые свойства молекулы АТФ, которая питает биологические клетки.
Главный приз, возможно, менее очевиден. «Это действительно на самом краю возможного», — говорит Ротскофф. Инсайдеры утверждают, что задача настолько сложна, учитывая состояние технологий квантовых вычислений, что большая часть денег может остаться на счете Wellcome Leap.
Поскольку большая часть работы Q4Bio не опубликована и защищена соглашениями о неразглашении, а область квантовых вычислений уже изобилует заявлениями и контрзаявлениями о производительности и достижениях, только судьи смогут решить, кто прав.
Гибридное решение
Идея квантовых компьютеров заключается в том, что они могут использовать маломасштабные объекты, подчиняющиеся законам квантовой механики, такие как атомы и фотоны света, для моделирования реальных процессов, слишком сложных для моделирования на наших повседневных классических машинах.
Исследователи десятилетиями работают над созданием таких систем, которые могли бы предоставить информацию для создания новых материалов, разработки фармацевтических препаратов и улучшения химических процессов, таких как производство удобрений. Но работа с квантовыми вещами, такими как атомы, мучительно сложна. Самые масштабные и многообещающие приложения требуют огромных, надежных машин, способных противостоять «шуму» окружающей среды, который может очень легко нарушить хрупкие квантовые системы. У нас их пока нет — и неясно, когда они появятся.
Wellcome Leap хотела выяснить, можно ли заставить машины меньшего масштаба, которые у нас есть сегодня, сделать что-то — что угодно — полезное для здравоохранения, пока мы ждем эры мощных, крупномасштабных квантовых компьютеров. Группа начала конкурс в 2024 году, предложив 1,5 миллиона долларов финансирования каждой из 12 отобранных команд.
Шесть финалистов Q4Bio выбрали разные подходы. Важно, что все они нашли изобретательные способы преодолеть недостатки квантовых вычислений. Столкнувшись с шумными, ограниченными машинами, они научились передавать большую часть вычислительной нагрузки классическим процессорам, работающим с недавно разработанными алгоритмами, которые во многих случаях лучше, чем предыдущее состояние техники. Квантовые процессоры затем требуются только для тех частей задачи, где классические методы плохо масштабируются по мере увеличения вычислений.
Например, команда под руководством Сергея Стрельчука из Оксфордского университета использует квантовый компьютер для картирования генетического разнообразия среди людей и патогенов на сложных графовых структурах. Исследователи надеются, что это выявит скрытые связи и потенциальные пути лечения. «Можно думать об этом как о платформе для решения сложных задач в вычислительной геномике», — говорит Стрельчук.
Соответствующие классические инструменты испытывают трудности даже при умеренном масштабировании до больших баз данных. Команда Стрельчука создала автоматизированный конвейер, который позволяет определить, будут ли классические решатели испытывать трудности с конкретной задачей, и как квантовый алгоритм может сформулировать данные так, чтобы их можно было решить на классическом компьютере или обработать на шумном квантовом. «Вы можете сделать все это, прежде чем начнете тратить деньги на вычисления», — говорит Стрельчук.
В сотрудничестве с Клиникой Кливленда компания Algorithmiq из Хельсинки использовала сверхпроводящий квантовый компьютер, созданный IBM, для моделирования противоракового препарата, активируемого определенными типами света. «Идея в том, что вы принимаете лекарство, и оно находится повсюду в вашем теле, но ничего не делает, просто лежит там, пока на него не попадет свет определенной длины волны», — говорит Гильермо Гарсиа-Перес, главный научный сотрудник Algorithmiq. Затем оно действует как молекулярная пуля, атакуя опухоль только в том месте тела, куда направлен этот свет.
Препарат, с которым Algorithmiq начала свою работу, уже проходит клинические испытания II фазы для лечения рака мочевого пузыря. Моделирование, рассчитанное на квантовом компьютере, которое адаптирует и улучшает классические алгоритмы, позволит перепрофилировать его для лечения других заболеваний. «Он оставался нишевым лечением именно потому, что его нельзя смоделировать классически», — говорит Сабрина Манискалько, генеральный директор и соучредитель Algorithmiq.
Манискалько, которая также уверена, что уйдет с конкурса с призовыми деньгами, считает, что методы, использованные для создания алгоритма, будут иметь широкое применение: «То, что мы сделали за время программы Q4Bio, уникально и может изменить подход к моделированию химии для здравоохранения и наук о жизни».
Проект Infleqtion, работающий на их машине на основе цезия, направлен на улучшение идентификации раковых маркеров в медицинских данных. Совместно с сотрудниками Чикагского университета и Массачусетского технологического института ученые компании разработали квантовый алгоритм, который анализирует огромные наборы данных, такие как Атлас генома рака.
Цель состоит в том, чтобы найти закономерности, которые позволят клиницистам определить такие факторы, как вероятное происхождение метастатического рака пациента. «Очень важно знать, откуда он взялся, потому что это может повлиять на лучшее лечение», — говорит Тиг Томеш, инженер по квантовому программному обеспечению и руководитель проекта Q4Bio в Infleqtion.
К сожалению, эти закономерности скрыты в наборах данных настолько больших, что они перегружают классические решатели. Infleqtion использует квантовый компьютер для поиска корреляций в данных, которые могут уменьшить размер вычислений. «Затем мы передаем уменьшенную задачу обратно классическому решателю», — говорит Тиг. «Я, по сути, пытаюсь использовать лучшее из моих квантовых и моих классических ресурсов».
Тем временем команда из Ноттингема использует квантовые вычисления для точного определения кандидата в лекарства, который может вылечить миотоническую дистрофию, наиболее распространенную форму мышечной дистрофии с началом у взрослых. Один из членов команды, Дэвид Брук, сыграл роль в идентификации гена, ответственного за это состояние, в 1992 году. Спустя более 30 лет Брук, Хирст и другие члены их группы — в которую входит QuEra, бостонская компания, разрабатывающая квантовый компьютер на основе нейтральных атомов — с помощью квантовых вычислений нашли способ, которым лекарства могут образовывать химические связи с белком, вызывающим заболевание, блокируя механизм, который вызывает проблему.
Низкие ожидания
Уверенность участников может быть высокой, но Шихан Саджид гораздо менее уверен. Саджид, предприниматель в области квантовых вычислений из Ватерлоо, Онтарио, является программным директором Q4Bio. Он считает, что подверженные ошибкам квантовые машины, с которыми приходится работать исследователям, вряд ли соответствуют всем критериям главного приза. «Очень трудно достичь чего-либо с помощью шумного квантового компьютера, чего не может сделать классическая машина», — говорит он.
Тем не менее, он удивлен прогрессом. «Когда мы начинали программу, никто не знал о каких-либо вариантах использования, где квантовые технологии могут определенно повлиять на биологию», — говорит он. Но команды нашли многообещающие приложения, добавляет он: «Теперь мы знаем области, где квантовые технологии могут быть важны».
И разработки в области «гибридной квантово-классической» обработки, которую используют участники, являются «трансформационными», считает Саджид.
Будет ли этого достаточно, чтобы заставить его расстаться с деньгами Wellcome Leap? Это зависит от судейской коллегии, личности членов которой тщательно охраняются, чтобы никто не адаптировал свою презентацию под определенный тип подхода. Но мы не узнаем результат некоторое время; победитель или победители будут объявлены в середине апреля.
Если окажется, что победителей нет, у Саджида есть слова утешения для участников. Цель всегда заключалась в запуске полезного алгоритма на существующей сегодня машине, — указывает он; промах не означает, что ваш алгоритм не будет полезен на будущем квантовом компьютере. «Это просто означает, что нужной вам машины еще не существует».
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Niall Firth
