Kwantumcomputers zijn de afgelopen dertig jaar ‘tien jaar verwijderd van praktische toepassingen’. Die grap kan eindelijk een houdbaarheidsdatum hebben. Een samenwerking tussen IBM, Pfizer en onderzoekers van MIT heeft de eerste ondubbelzinnig praktische kwantumcomputertoepassing gedemonstreerd: medicijnontdekking op een schaal en snelheid die onmogelijk is voor klassieke computers.

Het probleem

Geneesmiddelenontdekking is in wezen een moleculair simulatieprobleem. Om een ​​molecuul te vinden dat zich aan een specifiek eiwitdoel zal binden – bijvoorbeeld de amyloïde plaques die geassocieerd zijn met de ziekte van Alzheimer – moet je het kwantummechanische gedrag van elektronen in duizenden kandidaat-moleculen simuleren. Klassieke computers benaderen deze simulatie; kwantumcomputers kunnen het precies uitvoeren.

Het resultaat

Het algoritme van het team draaide op de 4.000-qubit Condor 2-processor van IBM en screende in 72 uur 847.000 kandidaat-moleculen tegen het Alzheimer-doeleiwit. Het identificeerde drie kandidaten met voorspelde bindingsaffiniteiten die aanzienlijk hoger waren dan welk bestaand medicijn dan ook. Klassieke supercomputers zouden naar schatting veertig jaar nodig hebben gehad om dezelfde berekening uit te voeren.

Het pad naar klinische onderzoeken

De drie kandidaten beginnen nu aan laboratoriumvalidatie: het proces waarbij de moleculen worden gesynthetiseerd en getest in celculturen en diermodellen. Als een van hen dit proces overleeft, kunnen ze binnen drie jaar klinische proeven op mensen ondergaan. Het kwantumalgoritme heeft wat een decennium aan computerwerk zou zijn geweest, in drie dagen gecomprimeerd.

Wat daarna komt

IBM en Pfizer hebben een vijfjarig partnerschap aangekondigd om quantum computing toe te passen bij de ontdekking van geneesmiddelen in meerdere ziektegebieden. Andere farmaceutische bedrijven houden het nauwlettend in de gaten. Het tijdperk van kwantumversnelde ontdekking van geneesmiddelen kan beginnen.

De bredere pijplijn voor het ontdekken van geneesmiddelen

De drie door het kwantumalgoritme geïdentificeerde Alzheimer-kandidaten betreden nu de standaardpijplijn voor de ontwikkeling van geneesmiddelen. Laboratoriumvalidatie – het synthetiseren van de moleculen en het testen ervan in celculturen – duurt ongeveer 12 tot 18 maanden. Het testen van diermodellen duurt nog eens 12 tot 24 maanden. Als een kandidaat deze fasen overleeft, kunnen Fase I-onderzoeken naar de menselijke veiligheid al in 2029 beginnen. Het kwantumalgoritme heeft de computationele ontdekkingsfase van tientallen jaren naar dagen gecomprimeerd, maar de biologische validatiepijplijn blijft ongewijzigd.

Andere ziektedoelen

De samenwerking tussen IBM en Pfizer heeft verschillende andere ziektegebieden geïdentificeerd waar kwantumsimulatie de ontdekking zou kunnen versnellen. De ziekte van Parkinson, waarbij het doeleiwit (alfa-synucleïne) een complex vouwgedrag vertoont dat moeilijk klassiek te simuleren is, heeft prioriteit. Antibioticaresistentie – waarbij de uitdaging bestaat uit het ontwerpen van moleculen die zich binden aan bacteriële eiwitten zonder resistentiemechanismen in gang te zetten – is een andere. De rode draad is moleculaire complexiteit: ziekten waarbij het kwantummechanische gedrag van het doeleiwit de beperkende factor is in klassieke simulatie.

De hardwareroutekaart

De kwantumroutekaart van IBM projecteert systemen van 10.000 qubit tegen 2028 en systemen van 100.000 qubit tegen 2033. Elke generatie hardwareverbeteringen breidt het bereik van moleculen uit die exact kunnen worden gesimuleerd. De 4.000 qubit Condor 2-processor die in dit onderzoek wordt gebruikt, is al in staat moleculen met maximaal 50 zware atomen precies te simuleren – een drempel die een aanzienlijk deel van medicijnachtige moleculen dekt. De generatie van 10.000 qubit zal dit uitbreiden naar moleculen met maximaal 150 zware atomen, waarmee de overgrote meerderheid van farmaceutische doelwitten wordt gedekt.

Verder dan de ontdekking van geneesmiddelen

Geneesmiddelenontdekking is de eerste praktische kwantumcomputertoepassing, maar het is onwaarschijnlijk dat dit de laatste zal zijn. Materiaalkunde is een ander domein waarin kwantumsimulatie transformatief zou kunnen zijn. Het ontwerpen van nieuwe batterijchemie voor elektrische voertuigen, nieuwe supergeleidende materialen voor krachtoverbrenging en nieuwe katalysatoren voor industriële chemische processen brengen allemaal dezelfde soort moleculaire simulatie met zich mee waar kwantumcomputers in uitblinken.

Financiële optimalisatie is een andere toepassing voor de korte termijn. Bij het modelleren van portefeuillerisico's, de prijsstelling van opties en de detectie van fraude gaat het allemaal om optimalisatieproblemen die kwantumcomputers in principe sneller kunnen oplossen dan klassieke alternatieven. Verschillende grote banken – waaronder Goldman Sachs, JPMorgan en HSBC – hebben actieve quantum computing-onderzoeksprogramma’s die zich op deze toepassingen richten.

De klassieke computerreactie

Het klassieke computergebruik staat niet stil. Tensornetwerkmethoden, kwantumtoestanden van neurale netwerken en andere klassieke benaderingstechnieken hebben het vermogen om kwantumsystemen op klassieke hardware te simuleren aanzienlijk verbeterd. Voor sommige moleculaire systemen komen deze klassieke methoden nu overeen met of overtreffen ze wat vroege kwantumcomputers konden doen. De concurrentie tussen kwantum- en klassieke simulatie is aan de gang, en het kruispunt – waar kwantumcomputers een duidelijk voordeel bieden voor praktisch bruikbare problemen – is nog steeds gevestigd.

Bronnen en verder lezen