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A computação quântica e o futuro da descoberta de medicamentos

A computação quântica e o futuro da descoberta de medicamentos
A computação quântica é um tipo de computação cujo funcionamento pode tirar partido de fenómenos da mecânica quântica, tais como a superposição, a interferência e o entrelaçamento1. Um computador quântico foi concebido para lidar e processar dados e informações de uma forma fundamentalmente diferente de um computador clássico, especialmente quando confrontado com problemas que envolvem um grande número de variáveis e resultados potenciais; é também muito mais rápido. No entanto, os protótipos atuais de computadores quânticos são demasiado pequenos para superar os computadores clássicos e para terem aplicações práticas no mundo real.

Um pouco de história...

O mais recente chip da IBM, fabricado em 2021, contém 127 qubits, em comparação com os milhares de milhões presentes em todos os chips convencionais do mesmo ano. Um qubit (bit quântico) é o equivalente quântico de um bit; um bit clássico só pode estar num dos dois estados possíveis: 1 ou 0, mas os qubits podem estar nos dois estados ao mesmo tempo e, por isso, as operações realizadas sobre eles são feitas em ambos os valores simultaneamente; este fenómeno é chamado de superposição.

A computação quântica é uma disciplina incrivelmente jovem; o primeiro computador quântico funcional, composto por 2 qubits, foi fabricado em 1998, num esforço colaborativo de várias universidades. Ao contrário dos transístores clássicos, não é possível simplesmente adicionar mais à Unidade Central de Processamento (CPU) reduzindo o processo; os qubits têm de estar entrelaçados. Os qubits entrelaçados são essencialmente uma única unidade; não podem ser descritos individualmente, uma vez que as suas propriedades dependem umas das outras; o estado de um qubit depende de todos os outros qubits com os quais está entrelaçado. Devido a isto, o poder computacional dos computadores quânticos escala exponencialmente, em comparação com a escala linear dos computadores convencionais, mas também é mais difícil aumentar o número de qubits. Farei o meu melhor para reduzir ao mínimo as fórmulas matemáticas nesta análise.
127

O processador Eagle, fabricado pela IBM, possui 127 qubits supercondutores, o que o torna o maior computador quântico do seu género2

5

Até ao momento, existem 5 empresas que fabricaram computadores quânticos5

1000

A IBM promete um computador quântico de 1000 qubits até 20233

700B

A McKinsey afirmou que «a computação quântica tem agora o potencial de gerar um valor de quase 700 mil milhões de dólares já em 20354

1000

A IBM promete um computador quântico de 1000 qubits até 20233

700B

A McKinsey afirmou que «a computação quântica tem agora o potencial de gerar um valor de quase 700 mil milhões de dólares já em 20354

Aprendizagem Automática

Aprendizagem Automática Na computação convencional, o treino da IA requer muito tempo e recursos computacionais. Mesmo com o hardware mais recente, treinar uma IA até um nível que possa ser considerado suficiente leva um tempo incrivelmente longo e, mesmo assim, inevitavelmente, a IA cometerá erros, razão pela qual é considerada apenas «suficiente». Mas, graças à superposição de um computador quântico, este consegue, essencialmente, realizar operações em simultâneo.

Esta mentalidade de computação simultânea não é nova; as Unidades de Processamento Gráfico (GPUs) têm uma arquitetura que favorece esta mentalidade de computação simultânea, em comparação com as CPUs clássicas. As GPUs têm muitos «núcleos» especializados e são muito menos versáteis do que os núcleos das CPUs, mas, uma vez que o treino de IA consiste essencialmente em repetir uma tarefa relativamente simples vezes sem conta, as GPUs têm sido a primeira escolha em termos de hardware para o treino de IA há muito tempo. No entanto, devido à natureza dos bits clássicos, só podem ser melhoradas através da adição de mais núcleos; a longo prazo, isto é inviável, tendo em conta o quão mais difícil é fabricar nós de processo mais pequenos.

«Um cálculo clássico é como uma voz solista — uma linha de tons puros que se sucedem. Um cálculo quântico é como uma sinfonia — muitas linhas de tons que interferem entre si»

Steth Lloyd • Professor de engenharia mecânica e física

Descoberta de medicamentos

A investigação e o desenvolvimento são tão fundamentais para as empresas farmacêuticas que estas gastam, em média, 15 % das suas receitas em I&D6. As formações moleculares necessárias no desenvolvimento de medicamentos são tão pequenas que os fenómenos quânticos as afetam, pelo que a computação quântica poderá ser extremamente útil no processo de Conceção de Medicamentos Assistida por Computador (CADD).

Prevê-se que a computação quântica seja capaz de prever e simular a estrutura, as propriedades e o comportamento (ou reatividade) destas moléculas de forma mais eficaz do que a computação convencional.3 A utilização de computadores convencionais para aumentar a precisão das simulações moleculares implica um aumento exponencial dos recursos computacionais; o surgimento dos computadores quânticos tem o potencial de remediar o facto de ser dispendioso para um computador convencional tentar simular sistemas quânticos, tais como moléculas.

A indústria farmacêutica já está a utilizar a aprendizagem automática para acelerar e melhorar o processo de desenvolvimento de medicamentos, mas, considerando que a aprendizagem automática dará um grande salto em frente quando os computadores quânticos puderem ser utilizados para esse fim, a indústria farmacêutica está posicionada para ser uma das principais beneficiárias do advento dos computadores quânticos.

Em conclusão:

O ritmo da descoberta de medicamentos deu um salto com a ajuda da aprendizagem automática, mas com o advento dos computadores quânticos no horizonte, é evidente que a indústria farmacêutica está prestes a passar por uma transformação qualitativa no seu ciclo de desenvolvimento de medicamentos.

Referências

Fontes: 1 Link  | 2 Link  | 3 Link | 4 Link  | 5 Link  | 6 e 3 Link.
Agradecimentos a Alimul Karim, estagiário