Pharmazeutische Unternehmen investieren in Quantencomputing um neue Medikamente zu suchen

Jüngste Aktionen von IT-Giganten wie Google und Pharmaunternehmen lassen vermuten, dass die erste wirklich nützliche Anwendung von Quantencomputern Berechnungen im Zusammenhang mit der Arbeit an neuen Medikamenten sein könnten. Quantencomputer werden - zumindest theoretisch - eine von klassischen Computern unerreichbare Leistung haben. Dies ergibt sich direkt aus dem Prinzip ihrer Funktionsweise. Dazu eine kleine Exkursion in die Qubit-Welt:

Bild Quelle: Pixabay

Die kleinste Einheit der Information ist ein Bit. Es wird durch "0" oder "1" dargestellt. Wenn wir uns einen Satz von drei Bits vorstellen, von denen jedes den Wert "0" oder "1" speichern kann, können wir 8 verschiedene Kombinationen von Einsen und Nullen erzeugen (2^3). Im klassischen Computer können wir jedoch im gegebenen Moment nur eine dieser Kombinationen schreiben und nur auf einer werden wir Berechnungen durchführen. Im Quantencomputer haben wir jedoch keine Bits, sondern Quantenbits, Qubits. Und aus den Gesetzen der Quantenmechanik wissen wir, dass das Qubit nicht einen festen Wert hat. Es kann also beide Werte gleichzeitig annehmen: "0" und "1". Dies wird als Superposition bezeichnet. Und das bedeutet, dass wir zu jedem Zeitpunkt alle möglichen Kombinationen von Nullen und Einsen speichern und mit ihnen Berechnungen durchführen können. Daraus wiederum ergibt sich, dass ein Drei-Bit-Quantencomputer - zumindest theoretisch - achtmal schneller ist als ein klassischer Drei-Bit-Computer. Da wir heutzutage in Computern 64-Bit-Prozessoren verwenden, ist es einfach zu berechnen, dass ein 64-Bit-Quantencomputer... 18 Billionen (2^64) Mal schneller als ein klassischer Computer wäre.

Die einzige Frage, die bleibt, ist: Warum sollte jemand eine so große Rechenleistung benötigen? Es stellt sich heraus, dass sie für pharmazeutische Unternehmen sehr nützlich sein würden. Und das wissen diese Unternehmen offenbar sehr gut. Ihre jüngsten Aktionen bezeugen dies. Im Januar gab das größte private Pharmaunternehmen Boehringer Ingelheim bekannt, dass es mit Google zusammenarbeitet, um Quantencomputer in der Forschung und Entwicklung einzusetzen. Im selben Monat gab Roche, das größte Pharmaunternehmen der Welt, bekannt, dass es bereits seit einiger Zeit mit Cambridge Quantum Computing zusammenarbeitet, um Quantenalgorithmen für die erste Arzneimittelforschung zu entwickeln.

Derzeit werden für diese Art von Forschung konventionelle High-Performance-Computing (HPC)-Systeme wie Supercomputer verwendet. Die obere Grenze der Fähigkeiten heutiger HPCs ist das Präzisionsrechnen auf Molekülen mit einer Komplexität ähnlich der eines Koffeinmoleküls, sagt Chad Edwards, Direktor bei Cambridge Quantum Computing. Das Koffeinmolekül besteht aus 24 Atomen. In der Pharmazie haben wir es mit viel größeren Molekülen zu tun, mit Proteinen, die aus Tausenden von Atomen bestehen. Wenn wir verstehen wollen, wie Systeme nach den Prinzipien der Quantenmechanik funktionieren, also wie die Chemie funktioniert, dann brauchen wir Maschinen, die die Quantenmechanik bei der Arbeit nutzen, fügt Edwards hinzu. Cambridge Quantum Computing ist nicht in der Lage, Quantencomputer zu bauen. Es arbeitet mit Quantenalgorithmen.  Ein sehr wichtiger Bereich der Arbeit von Cambridge Quantum Computing ist die Quantenchemie. Spezialisten helfen bei der Lösung von Problemen wie der Suche nach Molekülen, die am stärksten an bestimmte Proteine binden.

Im Moment haben wir jedoch sehr primitive Quantencomputer. Sie sind in der Lage, Berechnungen für Moleküle aus 5-10 Atomen durchzuführen, während Pharmaunternehmen mindestens mit Molekülen aus 30-40 Atomen arbeiten müssen. Daher werden derzeit Berechnungen für Fragmente von Molekülen durchgeführt und dann werden spezielle Berechnungsmethoden verwendet, um herauszufinden, wie sich diese Fragmente zusammen verhalten werden. Edwards sagt, dass Quantencomputer in Zukunft schneller sein werden als herkömmliche Computer, aber das Wichtigste ist die Genauigkeit. Quantenmaschinen werden viel genauere Berechnungen durchführen. Wie groß die Hoffnungen auf Quantencomputer sind, zeigt die Tatsache, dass große Pharmaunternehmen ein Konsortium namens QuPharm gegründet haben, um die Entwicklung von Quantencomputern für die Arzneimittelherstellung zu beschleunigen. QuPharm arbeitet mit dem Quantum Economic Development Consortium (QED-C) zusammen, das gegründet wurde, um die Entwicklung kommerzieller Quantencomputing-Anwendungen für Wissenschaft und Technik zu unterstützen. Sie arbeitet auch mit der Pistoia Alliance zusammen, die sich zum Ziel gesetzt hat, Innovationen in den Biowissenschaften zu beschleunigen.