Moderna dan IBM® QUANTUM sedang bekerja menuju jalur bioteknologi berkemampuan quantum.
Moderna adalah perusahaan farmasi dan bioteknologi terkemuka. Sebagai pionir dalam bidang obat-obatan dan vaksin berbasis messenger RNA (mRNA), perusahaan ini menggunakan molekul mRNA yang memainkan peran krusial dalam tubuh untuk mengobati dan mencegah penyakit. Hari ini, Moderna menjelajahi aplikasi komputasi quantum dalam desain obat-obatan mRNA melalui kemitraan penelitian dan teknologi dengan IBM®.
Tubuh manusia mengandung lebih dari 100.000 jenis protein, dan setiap protein berasal dari mRNA. Selama puluhan tahun, para ilmuwan telah mengetahui bahwa mRNA memiliki potensi untuk menjadi dasar dari kelas obat baru yang dapat mengatasi penyakit pada tingkat fungsi seluler yang paling mendasar. Moderna telah menjadi yang terdepan dalam menerapkan insight itu ke dalam tindakan.
Perusahaan tersebut telah menggunakan teknologi mRNA untuk memerintahkan sel agar memproduksi protein yang dapat membantu mencegah atau mengobati penyakit yang sebelumnya dianggap tidak dapat diobati.
Meskipun komputer klasik merupakan alat yang sangat powerful dalam pengembangan mRNA, mereka memiliki keterbatasan saat menghadapi masalah komputasi yang intensif. Komputasi quantum menawarkan pendekatan baru yang menjanjikan untuk tantangan ini, melengkapi metode klasik di mana algoritma saat ini mencapai batasnya.
Salah satu tantangan utama bagi Moderna adalah mengembangkan instruksi teknologi mRNA yang dapat secara akurat mengarahkan tubuh untuk memproduksi protein yang dapat mengobati penyakit. Untuk setiap protein tertentu, terdapat jumlah urutan mRNA yang sangat besar yang berpotensi mengkodekan protein tersebut, sehingga optimasi menjadi tugas yang kompleks.
Para peneliti mengatasi masalah medis dengan mRNA dengan mengidentifikasi mekanisme biologis penyakit dan menentukan protein yang dapat memodulasi proses tersebut. Kemudian, mereka mengidentifikasi urutan nukleotida yang mengkodekan protein itu. Selain mengkodekan protein, peneliti harus memastikan urutannya stabil di dalam tubuh. Mereka juga harus memastikan bahwa obat tersebut dapat diproduksi dalam jumlah yang cukup untuk efektif, tanpa memicu respons imun yang tidak diinginkan. Hal ini memerlukan pemahaman mendalam tentang kimia seluler, serta daya komputasi yang besar, untuk menyaring jutaan urutan nukleotida yang mungkin guna menemukan yang tepat.
Moderna memiliki pendekatan yang cepat dan dapat diskalakan untuk pekerjaan kimia molekuler ini, tetapi perusahaan selalu mencari cara untuk meningkatkan proses pengembangan obat-obatan mRNA. Dorongan ini telah mendorong Moderna untuk mengembangkan keahlian komputasi quantumnya sekarang, sementara teknologinya berdiri di ambang aplikasi yang berguna.
“Tujuan kami adalah untuk meningkatkan kesehatan manusia,” kata Alexey Galda, Associate Scientific Director, Quantum Algorithm and Applications di Moderna. “Kami percaya sangat penting untuk menjelajahi setiap alat yang tersedia—termasuk komputasi quantum—untuk menskalakan kemajuan kami hari ini, daripada menunggu teknologi sepenuhnya matang di masa depan.”
Untuk memprediksi perilaku molekul mRNA dalam tubuh, penting memahami struktur sekundernya—pola tarik-menarik antar nukleotida yang menyebabkan RNA melipat membentuk batang, loop, dan tonjolan. Struktur ini memengaruhi efisiensi terjemahan mRNA menjadi protein, stabilitasnya, dan interaksinya dengan mesin seluler.
Setiap urutan mRNA secara teori bisa melipat menjadi banyak struktur sekunder, meskipun hanya sebagian kecil yang mungkin terjadi sesuai hukum fisika yang mengatur perilaku molekul. Dalam praktik, molekul akan memilih struktur dengan energi bebas terendah, yaitu konformasi paling stabil di kondisi fisiologis. Memprediksi struktur ini membutuhkan pemecahan masalah optimisasi kombinatorial yang kompleks, sehingga cocok menggunakan algoritma berbasis quantum.
Mitra perusahaan IBM® sedang menjelajahi kemungkinan aplikasi untuk algoritma quantum variasional (VQA) —kelas algoritma untuk penelitian aplikasi quantum jangka pendek—di industri mulai dari keuangan hingga kedirgantaraan. Penelitian tentang VQA dan algoritma heuristik lainnya menarik karena algoritma dapat memberikan keuntungan quantum, sebelum kedatangan teknologi quantum generasi berikutnya seperti koreksi kesalahan.
Peneliti Moderna dan IBM® menggunakan Conditional Value at Risk (CVaR), teknik penilaian risiko yang digunakan dalam keuangan, untuk meningkatkan kinerja VQA dan untuk menemukan solusi optimal untuk masalah pengoptimalan yang kompleks. CVaR membantu investor menilai risiko ekor (tail risk) dari portofolio, untuk memperkirakan kerugian investasi yang mungkin terjadi dalam skenario terburuk. Dalam quantum komputasi, CVaR memfokuskan proses optimasi pada ekor bawah distribusi energi, secara efektif menargetkan solusi yang paling menjanjikan. CVaR mengurangi varians dengan memfokuskan optimasi pada bagian distribusi pengukuran dengan energi terendah, secara efektif mengarahkan optimizer klasik ke solusi yang lebih menjanjikan sambil mengurangi sensitivitas terhadap outlier yang berisik. Karena CVaR beroperasi sebagai langkah pemrosesan pasca-klasik yang ringan, solusi ini dapat meningkatkan VQAs tanpa menambah beban komputasi yang signifikan.
Overhead komputasi yang rendah dari CVaR adalah keuntungan utama. Sementara IBM® bekerja untuk menekan kebisingan pada tingkat perangkat keras—dengan arsitektur yang ditingkatkan seperti prosesor IBM® Quantum Heron yang menawarkan tingkat kesalahan yang lebih rendah—teknik mitigasi kesalahan tambahan masih sering diperlukan. Teknik-teknik ini melibatkan mendedikasikan sumber daya quantum dan klasik untuk mengkarakterisasi dan mengoreksi efek kebisingan, yang dapat mengurangi komputasi yang tersedia untuk memecahkan masalah ilmiah yang sebenarnya. VQAs berbasis CVaR membantu mengurangi beban ini dengan secara efisien fokus pada hasil pengukuran berkualitas tinggi menggunakan pemrosesan klasik yang ringan, sehingga memungkinkan penggunaan kapasitas sistem yang lebih besar untuk perhitungan yang bermakna.
Saat ini, komputer quantum berkembang pesat dan menjadi lebih kuat terhadap noise. Kita telah memasuki era utilitas quantum, di mana komputer quantum dapat memberikan hasil yang andal pada skala di luar metode pendekatan gaya kasar klasik untuk masalah tertentu. Jay Gambetta, Wakil Presiden IBM® Quantum, berharap bahwa dunia akan melihat contoh pertama keunggulan quantum pada tahun 2026, asalkan komunitas quantum dan kinerja tinggi bekerja sama untuk mengadopsi teknologi tersebut. Dan salah satu rute menuju keunggulan quantum adalah menyempurnakan dan meningkatkan metode heuristik. Moderna telah bekerja dengan IBM® untuk mengejar jalur ini dengan membuat VQA lebih praktis, karena mereka memahami ada peluang untuk menjadi yang pertama merangkul teknologi yang muncul.
“Kami mengadopsi teknologi baru sejak dini karena kami lebih memilih untuk memahaminya sesuai dengan kondisi kami sendiri daripada harus mengejar ketinggalan di kemudian hari,” kata Wade Davis, Senior Vice President, Digital di Moderna. “Berkolaborasi dengan IBM® memberi kami kesempatan untuk melihat apa yang bisa dilakukan pendekatan quantum ini, daripada menunggu sampai muncul dan kemudian harus buru-buru memahaminya.”
Tim bersama Moderna–IBM® Research telah mencapai hasil yang mengesankan, dan sekarang menjelajahi pendekatan quantum untuk prediksi struktur sekunder. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada Konferensi Internasional IEEE tentang Komputasi Quantum dan Teknik pada tahun 2024 dengan judul, para peneliti menunjukkan pendekatan quantum yang mampu mencocokkan hasil dari pemecah klasik komersial untuk masalah optimalisasi kombinatorial.
Dalam penelitian mereka, tim moderna—IBM® menerapkan VQA berbasis CVAR ke masalah prediksi struktur sekunder mRNA. Hasilnya adalah salah satu eksekusi VQA terbesar dan tercanggih yang pernah direalisasikan pada perangkat keras quantum—dan demonstrasi potensi nyata quantum dalam membantu penelitian Moderna.
Pada tahun 2024, penelitian ini mencapai skala rekor untuk simulasi struktur sekunder quantum, melibatkan hingga 80 qubit dan panjang urutan mRNA hingga 60 nukleotida. Sejauh pengetahuan para penulis, belum pernah ada yang menyimulasikan urutan nukleotida sebanyak 42 nukleotida pada komputer quantum.
Dalam penelitian yang akan dipublikasikan pada 2025, peneliti menerapkan metodologi sama pada masalah hingga 156 qubit dengan 950 gerbang non-lokal, ukuran kompleksitas sirkuit. Mereka juga memperkenalkan pendekatan baru bernama pengoptimalan quantum berbasis sirkuit polinomial quantum (IQP) instan. Pendekatan berbasis pengambilan sampel ini, serupa dengan VQA berbasis CVAR, memungkinkan pemanfaatan sumber daya quantum dan klasik secara paling efisien dalam lingkungan komputasi kinerja tinggi quantum (HPC) gabungan.
Membayangkan jalur bioteknologi berkemampuan quantum jangka pendek
Tujuan akhir Moderna bukanlah menggantikan komputasi klasik dengan metode quantum, melainkan membangun jalur pengembangan bioteknologi yang didukung quantum dalam waktu dekat. “Sering kali orang mengira quantum hanya tentang keunggulan secara klasik. Itu belum tentu tujuannya. "Hal ini juga sangat berharga jika alat quantum Anda dapat menawarkan beragam solusi—beragam molekul yang dapat dihasilkan dan diuji di laboratorium basah," ujar Galda. “Memiliki alat tambahan ini dengan kualitas yang sangat spesifik sangat berharga untuk masalah komputasi yang menjadi hambatan utama dalam alur kerja kami.” Saya Think skenario yang paling realistis adalah bahwa quantum akan menambah perhitungan klasik kita dan menawarkan keuntungan tertentu di area tertentu.”
IBM® membayangkan metode klasik dan quantum bekerja sama untuk menyelesaikan berbagai masalah paling penting yang dihadapi masyarakat dan dunia bisnis. Superkomputasi quantum bekerja untuk membagi masalah antara arsitektur quantum dan klasik, dengan masing-masing meningkatkan kemampuan yang lain untuk dengan cepat memberikan hasil ke masalah yang pernah tidak terpecahkan. Tim IBM®–Moderna berfokus pada pendekatan berbasis quantum untuk masalah struktur sekunder pada skala yang jauh lebih besar.
“Bekerja dengan IBM®,” kata Davis, “menawarkan kesempatan untuk bermitra dengan perusahaan dengan rekam jejak dalam memberikan hasil penelitian penting. Dan di bidang komputasi quantum, penting bagi IBM® untuk memiliki peta jalan yang jelas untuk mengembangkan teknologi dan rekam jejak dalam mencapai tonggak-tonggak penting pada peta jalan tersebut.
Seiring dengan perkembangan quantum, Moderna ingin siap untuk menggunakannya guna memberikan dampak terbesar bagi manusia melalui obat-obatan mRNA.
Didirikan pada tahun 2010, Moderna beroperasi di persimpangan antara sains, teknologi, dan kesehatan untuk mengembangkan obat-obatan mRNA dengan kecepatan dan efisiensi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Melalui kemajuan teknologi mRNA, Moderna sedang merancang ulang cara obat-obatan dibuat dan mengubah cara kita mengobati dan mencegah penyakit untuk semua orang. Perusahaan tersebut mengembangkan salah satu vaksin COVID-19 pertama dan paling efektif—Spikevax—serta vaksin untuk virus respiratori sincytial (RSV). Platform mRNA Moderna memfasilitasi pengembangan terapi dan vaksin untuk penyakit menular, imuno-onkologi, penyakit langka, dan autoimun. Dengan budaya unik dan tim global yang didorong oleh nilai dan mindset Moderna untuk secara bertanggung jawab mengubah masa depan kesehatan manusia, perusahaan berupaya memberikan dampak terbesar melalui obat mRNA.
Legal
© Hak Cipta IBM® Corporation 2025. IBM®, logo IBM®, IBM® Quantum, dan IBM® Research adalah merek dagang atau merek dagang terdaftar dari IBM® Corp., di U dan/atau negara lain.
Contoh disajikan hanya sebagai ilustrasi. Hasil aktual akan bervariasi berdasarkan konfigurasi dan kondisi klien dan, oleh karena itu, hasil yang diharapkan secara umum tidak dapat diberikan.