لقد كانت الحوسبة الكمومية "على بعد 10 سنوات من التطبيقات العملية" على مدى الثلاثين عامًا الماضية. قد يكون لهذه النكتة أخيرًا تاريخ انتهاء الصلاحية. أظهر التعاون بين IBM وPfizer والباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أول تطبيق عملي للحوسبة الكمومية: اكتشاف الأدوية على نطاق وسرعة مستحيلة بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
المشكلة
إن اكتشاف الأدوية هو في الأساس مشكلة محاكاة جزيئية. للعثور على جزيء يرتبط بهدف بروتيني محدد - على سبيل المثال، لويحات الأميلويد المرتبطة بمرض الزهايمر - تحتاج إلى محاكاة السلوك الميكانيكي الكمي للإلكترونات في آلاف الجزيئات المرشحة. أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية تقارب هذه المحاكاة. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية القيام بذلك بالضبط.
النتيجة
باستخدام معالج Condor 2 الذي تبلغ سعته 4000 كيوبت من شركة IBM، قامت خوارزمية الفريق بفحص 847000 جزيء مرشح ضد البروتين المستهدف لمرض الزهايمر خلال 72 ساعة. وحددت ثلاثة مرشحين لديهم ارتباطات ربط متوقعة أعلى بكثير من أي دواء موجود. كانت أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية تتطلب ما يقدر بـ 40 عامًا لإجراء نفس الحساب.
الطريق إلى التجارب السريرية
يدخل المرشحون الثلاثة الآن في مرحلة التحقق المختبري، وهي عملية تصنيع الجزيئات واختبارها في مزارع الخلايا والنماذج الحيوانية. وإذا نجا أي منها من هذه العملية، فيمكنه الدخول في التجارب السريرية البشرية في غضون ثلاث سنوات. لقد قامت الخوارزمية الكمومية بضغط ما كان يمكن أن يكون عقدًا من العمل الحسابي في ثلاثة أيام.
ماذا يأتي بعد ذلك
أعلنت شركة IBM وشركة Pfizer عن شراكة مدتها خمس سنوات لتطبيق الحوسبة الكمومية على اكتشاف الأدوية في مجالات مرضية متعددة. شركات الأدوية الأخرى تراقب عن كثب. قد يكون عصر اكتشاف الأدوية الكمية المتسارعة قد بدأ.
خط أنابيب اكتشاف المخدرات الأوسع
إن المرشحين الثلاثة لمرض الزهايمر الذين تم تحديدهم بواسطة الخوارزمية الكمومية يدخلون الآن في خط تطوير الأدوية القياسية. يستغرق التحقق من الصحة في المختبر — تصنيع الجزيئات واختبارها في مزارع الخلايا — ما يقرب من 12 إلى 18 شهرًا. يستغرق اختبار النماذج الحيوانية من 12 إلى 24 شهرًا أخرى. إذا نجا أي مرشح من هذه المراحل، فمن الممكن أن تبدأ تجارب السلامة البشرية للمرحلة الأولى في وقت مبكر من عام 2029. وقد ضغطت الخوارزمية الكمومية مرحلة الاكتشاف الحسابي من عقود إلى أيام، ولكن خط أنابيب التحقق البيولوجي يظل دون تغيير.
أهداف الأمراض الأخرى
لقد حدد التعاون بين IBM وPfizer العديد من مجالات الأمراض الأخرى حيث يمكن للمحاكاة الكمومية تسريع الاكتشاف. يعتبر مرض باركنسون، حيث يكون للبروتين المستهدف (ألفا سينوكلين) سلوك طي معقد يصعب محاكاته بشكل كلاسيكي، أولوية. مقاومة المضادات الحيوية - حيث يتمثل التحدي في تصميم جزيئات ترتبط بالبروتينات البكتيرية دون إثارة آليات المقاومة - هي مشكلة أخرى. الخيط المشترك هو التعقيد الجزيئي: الأمراض التي يكون فيها السلوك الميكانيكي الكمي للبروتين المستهدف هو العامل المحدد في المحاكاة الكلاسيكية.
خارطة طريق الأجهزة
وتتوقع خارطة الطريق الكمومية لشركة IBM أنظمة ذات 10000 كيوبت بحلول عام 2028 وأنظمة 100000 كيوبت بحلول عام 2033. ويعمل كل جيل من تحسين الأجهزة على توسيع نطاق الجزيئات التي يمكن محاكاتها تمامًا. إن معالج Condor 2 بسعة 4000 كيوبت المستخدم في هذه الدراسة قادر بالفعل على محاكاة جزيئات تحتوي على ما يصل إلى 50 ذرة ثقيلة بالضبط، وهي عتبة تغطي جزءًا كبيرًا من الجزيئات الشبيهة بالعقاقير. وسيعمل الجيل ذو الـ 10000 بت على توسيع هذا النطاق ليشمل الجزيئات التي تحتوي على ما يصل إلى 150 ذرة ثقيلة، مما يغطي الغالبية العظمى من الأهداف الصيدلانية.
ما وراء اكتشاف المخدرات
يعد اكتشاف الأدوية أول تطبيق عملي للحوسبة الكمومية، ولكن من غير المرجح أن يكون الأخير. يعد علم المواد مجالًا آخر يمكن أن تكون فيه المحاكاة الكمومية تحويلية. إن تصميم كيمياء بطاريات جديدة للسيارات الكهربائية، ومواد جديدة فائقة التوصيل لنقل الطاقة، ومحفزات جديدة للعمليات الكيميائية الصناعية، كلها تنطوي على نفس النوع من المحاكاة الجزيئية التي تتفوق فيها أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
التحسين المالي هو تطبيق آخر على المدى القريب. إن نمذجة مخاطر المحفظة، وتسعير الخيارات، والكشف عن الاحتيال، كلها تنطوي على مشاكل تحسين يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية حلها من حيث المبدأ بشكل أسرع من البدائل الكلاسيكية. لدى العديد من البنوك الكبرى - بما في ذلك جولدمان ساكس، وجيه بي مورجان، وإتش إس بي سي - برامج بحثية نشطة للحوسبة الكمومية تستهدف هذه التطبيقات.
استجابة الحوسبة الكلاسيكية
الحوسبة الكلاسيكية لا تقف ساكنة. لقد أدت أساليب شبكة الموتر، والحالات الكمومية للشبكة العصبية، وغيرها من تقنيات التقريب الكلاسيكية إلى تحسين القدرة على محاكاة الأنظمة الكمومية على الأجهزة الكلاسيكية بشكل كبير. بالنسبة لبعض الأنظمة الجزيئية، تتطابق هذه الأساليب الكلاسيكية الآن مع ما يمكن أن تفعله أجهزة الكمبيوتر الكمومية المبكرة أو تتجاوزه. لا تزال المنافسة بين المحاكاة الكمومية والمحاكاة الكلاسيكية مستمرة، ولا تزال نقطة التقاطع - حيث توفر أجهزة الكمبيوتر الكمومية ميزة واضحة للمشكلات المفيدة عمليًا - قيد التأسيس.