Existem exemplos de alguém aplicando algoritmos quânticos a problemas em biologia computacional?


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Como o título sugere, estou procurando exemplos publicados de algoritmos quânticos sendo aplicados a problemas em biologia computacional. Claramente, as chances são altas de que ainda não existem exemplos práticos - o que me interessa é qualquer prova de conceitos . Alguns exemplos de problemas de biologia computacional nesse contexto seriam:

  • Predição da Estrutura de Proteínas (Secundária, Terciária)
  • Ligação a ligantes de drogas
  • Alinhamento de várias seqüências
  • Montagem De-novo
  • Aplicativos de aprendizado de máquina

Eu encontrei apenas uma dessas referências que acho ilustrativas do que estou procurando. Nesta pesquisa, uma onda D foi usada para a ligação do fator de transcrição; no entanto, seria interessante ter exemplos fora do domínio da computação quântica adiabática.

Existem vários em termos de simulação quântica. Embora claramente não sejam simulações em uma escala considerada biologicamente relevante, pode-se imaginar que essa linha de pesquisa seja um precursor para modelar moléculas maiores de importância biológica (entre muitas outras coisas).

Então, além da ligação ao fator de transcrição e simulação quântica, existem outras provas de conceitos que existem e são relevantes para a biologia?

Atualização: aceitei a melhor resposta até agora, mas estarei verificando se há mais exemplos. Aqui está outro que eu descobri, um pouco antigo (2010), que tinha como objetivo demonstrar a identificação de conformações de proteínas de baixa energia em modelos de proteínas de treliça - também uma publicação da D-Wave.


Por que você classificou "Aplicativos de aprendizado de máquina" em "problemas de biologia computacional"?
JanVdA

Eu acho que também existe uma sobreposição entre sua pergunta e minha pergunta recente: quantumcomputing.stackexchange.com/questions/4150/… Por exemplo, acho que a capacidade de usar um computador quântico para medir a ligação entre o ligante e o fármaco pode revolucionar a identificação de novos medicamentos .
JanVdA

Eu usei aplicativos de aprendizado de máquina porque eles são onipresentes em biologia computacional e bioinformática. Os outros exemplos podem ser considerados como modelagem de processos biológicos usando os primeiros princípios; no entanto, o aprendizado de máquina é geralmente uma abordagem empírica e não baseada nos primeiros princípios. Eu não queria limitar as respostas à modelagem baseada nos primeiros princípios, porque se trata tanto da aplicação de um novo modelo de computação quanto da modelagem do próprio processo biológico.
Greenstick 6/09/19

@ JanVdA Obrigado pelo link para sua pergunta, é definitivamente interessante.
Greenstick 6/09/18

Respostas:


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Não consegui encontrar referências especificamente na biologia quântica. No entanto, encontrei uma revisão chamada modelagem biomolecular Quantum Assisted .

Você pode achar interessante, mas é de 2010. O campo evoluiu desde então, mas acho que as idéias permanecem semelhantes. Os autores se concentram mais na idéia da capacidade de um computador quântico tentar todos os caminhos clássicos simultaneamente.

Não sei muito sobre o campo e a prática comum. No entanto, se a biologia computacional estiver mais focada na otimização, a aplicação de algoritmos de pesquisa quântica ou configurações quânticas clássicas híbridas deve ser adequada (mesmo que não seja tão prática no momento).

Agora, sobre o Machine Learning, não é claro com a computação quântica. Especialmente com o nome Quantum Machine Learning. Diferentes abordagens / objetivos são adotados. Alguns algoritmos são projetados para acelerar os algoritmos clássicos (com base em um dispositivo hipotético chamado qRAM) como K-Means, SVM ... Ou use o QC para ajudar no processo de aprendizado de algoritmos clássicos como máquinas boltzmann restritas. Alguns se concentram em fazer ML com dados quânticos, como comprimir dados quânticos, por exemplo.

Conclusão: ainda não temos uma ideia clara, mas isso a torna empolgante. No processo, podemos apenas criar novos algoritmos ou aprimorar os clássicos atuais.

Edit : Recentemente, um comunicado à imprensa anunciou uma parceria entre a Rigetti Computing e a Entropica Labs para desenvolver aplicativos do mundo real da computação quântica para bioinformática e genômica.


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Esta é uma ótima referência. Sim, a otimização é bastante comum em certas áreas, especialmente na modelagem de estruturas moleculares e na ligação. Eu ouvi sobre as ambigüidades com QML; obrigado pelo seu esclarecimento e conclusão. É útil!
Greenstick

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Bom - eu perdi isso, mas de alguma forma ainda vi que eles anunciavam que um sistema híbrido de 128 bits estava em seu roteiro para 2019. Obrigado por compartilhar isso!
Greenstick

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O primeiro artigo está realmente respondendo à pergunta (= exemplos de algoritmos quânticos sendo aplicados a problemas em biologia computacional)? Quando o li muito rapidamente, o artigo afirma principalmente que a computação quântica "pode ​​no futuro" auxiliar na modelagem de biomoléculas, que ainda está longe de afirmar que já existem algoritmos quânticos conhecidos que podemos executar hoje (ou talvez no futuro quando os computadores quânticos são poderosos o suficiente) para resolver problemas na modelagem de biomoléculas.
JanVdA 9/09/18

Estou me perguntando qual é a relevância do link Rigetti com relação à questão.
JanVdA

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@JanVdA Parece-me que a suposição é de que certos algoritmos existentes podem ser aumentados com etapas computacionais quânticas (por exemplo, QFT, caminhadas quânticas), mas sim, os autores não explicam exatamente o que são esses algoritmos. Um que pode ser relevante é o recozimento quântico, devido à sua relação com o recozimento simulado, amplamente utilizado na simulação de dinâmica molecular.
Greenstick 10/09

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A simulação quântica pode ser usada para testar modelos que podem descrever certos processos biológicos. Por exemplo, um artigo de 2018 de Potočnik et al. examinaram modelos de colheita de luz usando circuitos quânticos supercondutores (veja a figura abaixo).

Atualmente, é uma questão em aberto se a mecânica quântica desempenha um papel funcional importante nos processos biológicos. Alguns processos biológicos candidatos em que a mecânica quântica pode ter esse papel incluem a magnetorecepção em aves, olfação e colheita leve.

Figura do artigo de Potočnik et al.  2018


Obrigado pela sua resposta. Embora interessante, infelizmente, modelar como a fotossíntese pode ser quântica não está no escopo da questão. Estou muito interessado nas aplicações de algoritmos quânticos em um dispositivo quântico (um QC de algum tipo) para problemas canônicos em biologia computacional. Alguns exemplos podem ser a modelagem da ligação alvo de drogas com o algoritmo quântico adiabático ou algum tipo de aprendizado de máquina para, por exemplo, chamar variantes de genes usando um algoritmo inspirado em HHL. Obviamente, esses seriam exemplos de brinquedos - mas são essas provas de conceitos existentes que busco.
Greenstick

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Não está claro qual é o vínculo entre seu primeiro parágrafo e a pergunta real. Talvez deva ser esclarecido um pouco.
JanVdA
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