Nat Biotechnol｜用量子计算机探索癌症患者分层
以下是全文内容。
生命科学家正准备测试量子计算机在计算化学以外的应用，如选择癌症疗法的患者。
癌症研究人员将成为首批测试欧洲第一台IBM量子计算机潜力的人，该计算机今年夏天在德国亮相。27比特的IBM Q System One是欧洲最强大的商业量子计算机之一。它位于Stuttgart附近的Ehningen的IBM德国总部，由IBM和弗劳恩霍夫协会（The Fraunhofer Society，总部位于慕尼黑的德国多学科应用研究组织）共同运营。弗劳恩霍夫协会正在将量子计算机提供给希望测试量子计算机实际应用的研究人员，包括生命科学领域。
长期以来，量子方法在生物医学中最有希望的应用是计算化学。但弗劳恩霍夫协会希望在更广泛的生命科学家群体中激发兴趣，例如癌症研究人员，他们的研究问题本质上不是量子性质的。
位于海德堡的德国国家癌症中心DKFZ的肿瘤学家Niels Halama说："这是一个未知的领域"。与一个物理学家和计算机科学家团队合作，Halama正计划开发和测试可能有助于对癌症患者进行分层的算法，并从异质数据集中选择小的亚群进行特定的治疗。
他说，这对精准医疗很重要，但传统计算没有足够的能力在肿瘤学产生的庞大而复杂的数据集中找到非常小的群组。完成这样的任务所需的时间太长（时间可能会延长到许多星期），在临床环境中无法使用，而且也太昂贵。此外，传统计算机性能的稳步提高正在放缓，这在很大程度上是由于芯片小型化的基本限制。
量子计算，尽管仍处于起步阶段，但可能为这个问题提供了一个解决方案。由于量子粒子的特殊属性，它有望让计算能力远远超过目前的界限，因为量子粒子同时存在多个状态。
传统计算机的工作原理是比特，分配值为0或1，而量子计算机使用的是量子比特，它同时存在于多种状态，因此每次操作处理的数据量成倍增加。
开发量子计算的公司已经采用了不同的技术方法。一些公司，如IBM和谷歌，使用由超导材料制成的物理类型的量子比特，如硅基上的铌材料或铝材料。其他公司如马里兰州学院公园的IonQ公司或荷兰恩斯赫德的LioniX国际公司，则从离子阱或光子以及其他方法中产生了量子比特。欧盟、美国、中国和许多其他国家正在为硬件开发投入数十亿美元。
这些公司面临的主要挑战之一是埃尔温-薛定谔的量子猫（在其1935年的思想实验中所面临的挑战）。在量子世界中，猫在它的盒子里既是活的，也是死的，但只要实验者检查盒子，它不是死的就是活的。当量子比特暴露在环境中时，同样也会失去它们的量子特性。这使得量子计算机非常容易出错，特别是随着量子比特数量的增加。到目前为止，开发人员还没有设法创造出具有足够量子比特的通用量子计算机，以直接测试许多计划的生物科学应用。
虽然目前获得量子硬件的机会有限，但探索潜在应用的科学家一直在模拟器上测试他们的量子算法，模拟器是模拟量子处理的经典高性能计算机。许多人正在转向量子计算，看看它是否能帮助解决原子或分子尺度的问题，如预测大型蛋白质如何折叠，解决酶化学问题，如氮化酶如何催化固氮，识别DNA分子中的转录因子结合点，以及进行新的DNA组装。
最有前途的应用是在计算化学中，现在药物化学家经常应用量子力学来描述感兴趣的分子及其反应。量子计算机在理论上可以比传统计算机更准确地模拟分子动力学，因为正如分子系统中的所有现实电子在同一时间看到所有其他电子一样，量子计算机中的所有量子比特在同一时间看到所有其他量子比特。
总部位于德国Mainz的勃林格殷格翰公司的首席技术官Clemens Utschig-Utschig说，大多数大型制药公司正在调研量子计算在药物设计中的可能性。今年1月，勃林格殷格翰公司宣布与谷歌合作，为这种方法开发量子算法。"我认为这种方法在未来几年会有成果"，负责该公司计算化学的Christopher Tautermann说，"我们正在押注于未来"。
量子计算在分析基因组学研究人员和神经科学家产生的大而多样的数据集方面，是否以及如何证明是有用的，仍然不太清楚。到目前为止，量子计算机还不允许输入大数据集。为了研究量子计算是否能够快速、可靠地识别大型复杂数据集（从基因组学到组织学）中可能对相同疗法有反应的小的患者亚群，Hamala正在尝试两种不同的方法。一种涉及到量子处理的机器学习形式的算法，可能需要比传统计算更小的训练数据集。这种方法已经在人类癌症数据（癌症基因组图谱）上显示出前景。
另一种方法是基于不同的数学-拓扑代数设计全新的算法，量子计算可以很好地处理这种算法，以筛选数据并找出隐藏在其中的有趣部分。
他强调说："不能保证量子系统会提供我们想要的解决方案，但有迹象表明，值得跟进"。据Hamala说，这项研究的一个重要方面是，在弗劳恩霍夫-IBM的协议中，所有的研究项目和用户数据都留在德国，而IBM Q System One的运作符合德国严格的数据保护法。
英国牛津大学的计算生物学家Charlotte Deane说，量子计算将无法解决生命科学家所希望的所有问题，她在研究蛋白质折叠的过程中采取了这种方法。"它将为我们加快有限的任务，而我们现在需要正确识别这些任务。"
她预测，在十年左右的时间里，"量子计算将成为像我这样的人的一种交流工具"。
Abbott, A. Quantum computers to exploreprecision oncology. Nat Biotechnol 39, 1324–1325(2021). https://doi-org.xjpgl.80599.net/10.1038/s41587-021-01116-x