Есть ли примеры того, кто применяет квантовые алгоритмы к задачам вычислительной биологии?

12

Как следует из названия, я ищу опубликованные примеры квантовых алгоритмов, применяемых к задачам вычислительной биологии. Очевидно, высока вероятность того, что практических примеров не существует (пока) - то, что меня интересует, это какое-либо доказательство концепций . Вот некоторые примеры проблем вычислительной биологии в этом контексте:

  • Прогнозирование структуры белка (вторичное, третичное)
  • Связывание лекарственного средства с лигандом
  • Выравнивание нескольких последовательностей
  • Ассамблея De-Novo
  • Приложения машинного обучения

Я нашел только одну такую ​​ссылку, которая, я думаю, является иллюстрацией того, что я ищу. В этом исследовании D-Wave использовался для связывания транскрипционных факторов, однако было бы интересно иметь примеры за пределами области адиабатических квантовых вычислений.

Есть несколько с точки зрения квантового моделирования. Хотя они явно не являются симуляциями в масштабе, который часто считается биологически значимым, можно предположить, что это направление исследований является предшественником моделирования более крупных молекул биологического значения (среди многих других вещей).

Итак, помимо привязки транскрипционных факторов и квантового моделирования, есть ли еще какие-то доказательства концепций, которые существуют и имеют отношение к биологии?

Обновление: я принял лучший ответ на данный момент, но я проверю, не появятся ли еще примеры. Вот еще одно, несколько старое (2010), которое я обнаружил, нацеленное на демонстрацию идентификации низкоэнергетических белковых конформаций в моделях решетчатых белков - также публикация D-Wave.

Greenstick
источник
Почему вы классифицировали «Приложения машинного обучения» как «Проблемы вычислительной биологии»?
JanVdA
Я полагаю, что между вашим вопросом и моим недавним вопросом есть совпадение : Quantcomputing.stackexchange.com/questions/4150/… Например, я думаю, что возможность использовать квантовый компьютер для измерения связывания лекарственное средство-лиганд может революционизировать идентификацию новых лекарств ,
JanVdA
Я использовал приложения машинного обучения, потому что они повсеместно используются в вычислительной биологии и биоинформатике. Другими примерами можно считать моделирование биологических процессов с использованием первых принципов, однако машинное обучение обычно является эмпирическим, а не основанным на принципах подходом. Я не хотел ограничивать ответы на моделирование, основанное на первых принципах, потому что это касается как применения новой модели вычислений, так и моделирования самого биологического процесса.
Greenstick
@JanVdA Спасибо за ссылку на ваш вопрос, это определенно интересно.
Greenstick

Ответы:

4

Я не смог найти ссылки конкретно в квантовой биологии. Однако я нашел обзор под названием « Квантово-ассистированное биомолекулярное моделирование» .

Это может показаться вам интересным, но это с 2010 года. С тех пор эта область эволюционировала, но, думаю, идеи остаются схожими. Авторы сосредотачиваются больше на идее способности квантового компьютера пробовать все классические пути одновременно.

Я не знаю много о области и общей практике. Однако, если вычислительная биология больше ориентирована на оптимизацию, тогда следует применять алгоритмы квантового поиска или гибридные классические квантовые установки (даже если это не очень практично в данный момент).

Теперь о машинном обучении, немного неясно с квантовыми вычислениями. Особенно с именем Quantum Machine Learning. Различные подходы / цели принимаются. Некоторые алгоритмы предназначены для ускорения на классических алгоритмах (основанных на гипотетическом устройстве, называемом qRAM), таких как K-Means, SVM ... Или используйте QC, чтобы помочь процессу обучения в классических алгоритмах, таких как ограниченные машины Больцмана. Некоторые сосредотачиваются на выполнении ML с квантовыми данными, такими как сжатие квантовых данных, например.

Вывод: у нас пока нет четкой идеи, но это делает ее захватывающей. В процессе мы можем просто создавать новые алгоритмы или улучшать текущие классические.

Изменить : Недавно в пресс-релизе было объявлено о партнерстве между Rigetti Computing и Entropica Labs для разработки реальных приложений квантовых вычислений для биоинформатики и геномики.

Cnada
источник
1
Это отличная ссылка. Да, оптимизация довольно распространена в определенных областях, особенно при моделировании молекулярных структур и связывания. Я слышал о неясностях с QML; спасибо за ваше разъяснение и заключение. Это полезно!
Greenstick
1
Хорошо - я пропустил это, но почему-то все еще видел, что они объявили, что гибридная система на 128 кубитов была в их дорожной карте на 2019 год. Спасибо за то, что поделились этим!
Greenstick
1
Действительно ли первая статья отвечает на этот вопрос (= примеры применения квантовых алгоритмов к задачам вычислительной биологии)? Когда я читаю это очень быстро, в статье в основном утверждается, что квантовые вычисления «могут в будущем» помочь в моделировании биомолекул, что еще далеко от утверждения о том, что уже известны квантовые алгоритмы, которые мы можем выполнить сегодня (или даже, возможно, в будущем, когда квантовые компьютеры достаточно мощны, чтобы решать задачи моделирования биомолекул.
JanVdA
Мне немного интересно, какова связь Ригетти с этим вопросом.
JanVdA
1
@JanVdA Мне кажется, что предполагается, что некоторые существующие алгоритмы могут быть дополнены квантовыми вычислительными шагами (например, QFT, квантовые блуждания), но да, авторы не объясняют, что именно представляют собой эти алгоритмы. Одним из них, который может иметь значение, является квантовый отжиг, учитывая его связь с моделируемым отжигом, который широко используется в моделировании молекулярной динамики.
Greenstick
3

Квантовое моделирование может использоваться для тестирования моделей, которые могли бы описать определенный биологический процесс. Например, статья Potočnik et al. исследовал модели сбора света с использованием сверхпроводящих квантовых цепей (см. рисунок ниже).

В настоящее время остается открытым вопрос, играет ли квантовая механика важную функциональную роль в биологических процессах. Некоторые возможные биологические процессы, в которых квантовая механика может играть такую ​​роль, включают магниторецепцию у птиц, обоняние и сбор света.

Рисунок из статьи Поточника и соавт.  2018

Брэм
источник
Спасибо за ваш ответ. К сожалению, моделирование того, как фотосинтез может быть квантовым, не совсем в рамках вопроса. Я очень заинтересован в применении квантовых алгоритмов на квантовом устройстве (своего рода КК) для канонических задач вычислительной биологии. Некоторыми примерами может быть моделирование связывания лекарство-мишень с помощью адиабатического квантового алгоритма или какое-то машинное обучение, скажем, для вызова вариантов генов с использованием алгоритма, вдохновленного HHL. Это, конечно, были бы игрушечные примеры - но это то существующее доказательство понятий, которое я ищу.
Greenstick
2
Немного неясно, какова связь между вашим первым параграфом и реальным вопросом. Может быть, это следует уточнить немного.
JanVdA