تعمل Moderna و IBM Quantum على مسار التكنولوجيا الحيوية المدعومة بالكم.
Moderna هي شركة رائدة في مجال الأدوية والتكنولوجيا الحيوية. شركة رائدة في أدوية ولقاحات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، تستخدم جزيئات الـ mRNA التي تلعب دورًا حاسمًا في الجسم لعلاج الأمراض والوقاية منها. اليوم، تستكشف Moderna تطبيق الحوسبة الكمومية في تصميم أدوية mRNA من خلال شراكة بحثية وتقنية مع شركة IBM.
يحتوي جسم الإنسان على أكثر من 100000 نوع من البروتينات، وكل بروتين مشتق من mRNA. طوال عقود، عرف العلماء أن mRNA لديه القدرة على تشكيل أساس فئة جديدة من الأدوية التي يمكنها معالجة الأمراض على المستوى الأساسي لوظيفة الخلية. وكانت شركة Moderna رائدة في وضع هذه الرؤى موضع التنفيذ.
استخدمت الشركة تقنية mRNA لتوجيه الخلايا لإنتاج بروتينات يمكن أن تساعد في منع أو علاج أمراض كانت تعتبر سابقًا غير قابلة للعلاج.
في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية هي أدوات قوية في تطوير mRNA، إلا أنها تواجه قيودًا عند معالجة المشكلات الحاسوبية المكثفة. الحوسبة الكمومية تقدم مقاربة جديدة واعدة لهذه التحديات، مكملةً بذلك الطرق التقليدية حيث تصل الخوارزميات الحالية إلى حدودها.
واحدة من التحديات الرئيسية لشركة Moderna هي تطوير تعليمات تقنية mRNA التي ستوجه الجسم بدقة حول كيفية صنع البروتينات التي يمكنها علاج الأمراض. بالنسبة لأي بروتين معين، هناك عدد فلكي ضخم من تسلسلات mRNA المحتملة التي يمكن أن تشفره، مما يجعل عملية التحسين مهمة معقدة.
لعلاج مشكلة طبية باستخدام mRNA، يبدأ الباحثون بتحديد الآليات البيولوجية المتضمنة في المرض وتحديد البروتين الذي يمكن أن يعدّل تلك العملية. ثم يحددون تسلسل النيوكليوتيدات الذي يشفر هذا البروتين. بالإضافة إلى ترميز البروتين، يجب على الباحثين التأكد من أن التسلسل مستقر في الجسم. يجب عليهم أيضا التأكد من أنه يمكن إنتاجه بكميات كافية ليكون فعالًا، دون إثارة استجابة مناعية غير مرغوب فيها. ويتطلب هذا فهمًا عميقًا لكيمياء الخلية، بالإضافة إلى قوة حاسوبية كبيرة، لتمشيط ملايين تسلسلات النيوكليوتيدات المحتملة للعثور على التسلسل الصحيح.
تتبع Moderna نهجًا سريعًا وقابلًا للتطوير في عمل الكيمياء الجزيئية هذا، لكن الشركة تبحث دائمًا عن طرق لتحسين عملية تطوير أدوية mRNA. لقد دفع هذا الطموح شركة Moderna إلى تطوير خبرتها في الحوسبة الكمومية الآن، بينما تقف هذه التقنية على أعتاب تطبيقات مفيدة.
"هدفنا هو تحسين صحة الإنسان"، قال Alexey Galda، المدير العلمي المساعد، خوارزميات الكم وتطبيقاته في Moderna. "نحن نؤمن بأهمية استكشاف كل أداة متاحة—بما في ذلك الحوسبة الكمومية—لتوسيع نطاق تقدمنا اليوم، بدلاً من انتظار التكنولوجيا حتى تنضج تمامًا في المستقبل."
للتنبؤ بكيفية تصرف جزيء mRNA في الجسم، من الضروري فهم هيكله الثانوي—وهو نمط التجاذب الداخلي بين النيوكليوتيدات الذي يتسبب في طي خيط الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى سيقان وحلقات وانتفاخات. تؤثر هذه الهياكل على مدى كفاءة ترجمة mRNA إلى بروتين، ومدى استقراره وكيفية تفاعله مع الآلية الخلوية.
لكل تسلسل mRNA، نظريًا، القدرة على الانطواء إلى عدد فلكي من التراكيب الثانوية، على الرغم من أن جزءًا صغيرًا منها فقط هو المعقول بالنظر إلى القوانين الفيزيائية التي تحكم السلوك الجزيئي. في الممارسة العملية، تميل الجزيئات إلى اتخاذ البنية ذات الطاقة الحرة الأقل، وهي البنية الأكثر استقرارًا في الظروف الفسيولوجية. يتطلب التنبؤ بهذا الهيكل حل مشكلة تحسين توافقي معقدة، مما يجعله مثاليًا للخوارزميات المعززة كمّيًا.
شركاء ومؤسسات IBM يستكشفون تطبيقات محتملة لخوارزميات الكم المتغيرة (VQAs)—وهي فئة من الخوارزميات لأبحاث تطبيقات الكم على المدى القريب—في صناعات تتراوح من التمويل إلى الفضاء الجوي. يعد البحث عن VQAs والخوارزميات الإرشادية الأخرى مثيرًا لأن الخوارزميات قد توفر ميزة كمومية، قبل وصول التقنيات الكمومية من الجيل التالي مثل تصحيح الأخطاء.
استخدم باحثو Moderna و IBM مقياس القيمة المعرضة للخطر الشرطية (CVaR)، وهي تقنية لتقييم المخاطر تُستخدم في التمويل، لتحسين أداء VQAs ولإيجاد حلول مثالية لمشاكل التحسين المعقدة. تساعد CVaR المستثمرين على تقييم المخاطر الذيل الاحتمالي للمحفظة، لتقدير الخسارة المحتملة للاستثمار في أسوأ السيناريوهات. في الحوسبة الكمومية، تركز CVaR عملية التحسين على الذيل الاحتمالي الأدنى لتوزيع الطاقة، مما يعني استهداف أكثر الحلول الواعدة بكفاءة. يخفف نظام CVaR من التباين من خلال تركيز عملية التحسين على الجزء الأقل طاقة من توزيع القياس. يؤدي هذا بشكل فعال إلى توجيه المُحسِّن الكلاسيكي نحو حلول واعدة أكثر، مع تقليل الحساسية للقيم غير الطبيعية المليئة بالضوضاء. نظرًا لأن CVaR تعمل كخطوة خفيفة للمعالجة اللاحقة الكلاسيكية، فإنها يمكنها تحسين VQA دون إضافة عبء حاسوبي كبير.
يُعد الانخفاض في الحمل الحاسوبي لـ CVaR ميزة رئيسية. فيما تعمل IBM على كبت الضوضاء على مستوى الأجهزة—من خلال معماريات محسّنة مثل معالج IBM® Quantum Heron الذي يوفر معدلات خطأ أقل—لا تزال هناك حاجة في كثير من الأحيان إلى تقنيات إضافية للتخفيف من الأخطاء. تتضمن هذه التقنيات تخصيص موارد كمومية وكلاسيكية لتوصيف وتصحيح تأثيرات الضوضاء، مما قد يقلل من الحوسبة المتاحة لحل المشكلة العلمية الفعلية. تساعد أنظمة VQA القائمة على CVaR في تقليل هذا العبء من خلال التركيز بكفاءة على نتائج القياس عالية الجودة باستخدام معالجة كلاسيكية خفيفة الوزن، مما يتيح استخدام المزيد من سعة النظام للحسابات الهادفة.
في الوقت الحالي ، تتوسع أجهزة الكمبيوتر الكمومية بسرعة وتصبح أكثر قوة في مقاومة الضوضاء. لقد دخلنا عصر المنفعة الكمومية، حيث يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية تقديم نتائج موثوقة على نطاق يتجاوز طرق التقريب الكلاسيكية بالقوة الغاشمة لمشكلات معينة. Jay Gambetta، نائب رئيس IBM Quantum، يتوقع أن يشهد العالم الأمثلة الأولى للميزة الكمومية بحلول عام 2026، شريطة أن تعمل مجتمعات الحوسبة الكمومية والأداء معًا لتبني التكنولوجيا. فالطريق نحو الأفضلية الكمومية يتمثل في تحسين وتطوير الأساليب الاستدلالية. لقد عملت Moderna مع IBM لمتابعة هذا المسار بجعل خوارزميات VQAs أكثر عملية، لأنهم يدركون أن هناك فرصة في أن يكونوا من بين أوائل من يتبنون تكنولوجيا ناشئة.
نحن نتبنى التكنولوجيا الجديدة مبكرًا لأننا نفضل فهمها بشروطنا الخاصة بدلاً من اللحاق بالركب لاحقًا"، هكذا صرح Wade Davis، نائب الرئيس الأول للقطاع الرقمي في Moderna. "لقد أتاح لنا التعاون مع IBM فرصة رؤية ما يمكن أن يحققه هذا النهج الكمي، بدلاً من انتظار ظهوره ثم الاضطرار إلى التسرع في فهمه."
حقق فريق الأبحاث المشترك بين Moderna–®IBM Research نتائج مبهرة، ويستكشف الآن مقاربات الكم لتوقّع الهيكل الثانوي. في ورقة بحثية صدرت عام 2024 ونُشرت في مؤتمر IEEE الدولي حول الحوسبة الكمومية والهندسة، أظهروا مقاربة كمومية يمكن أن تضاهي نتائج الحلول الكلاسيكية التجارية لمشاكل التحسين التوافقي.
في بحثهم، طبق فريق Moderna–IBM اختبارات VQA القائمة على CVAR على مشكلة التنبؤ بالهيكل الثانوي لـ mRNA. وكانت النتيجة واحدة من أكبر عمليات تنفيذ خوارزميات الـ VQA وأكثرها تقدمًا على الإطلاق التي تحققت على أجهزة كمومية—وتجسيدًا للإمكانات الحقيقية للحوسبة الكمومية في مساعدة أبحاث Moderna.
في عام 2024، وصل هذا العمل إلى مستوى قياسي لمحاكاة البنية الثانوية الكمومية، حيث اشتمل على ما يصل إلى 80 كيوبت وأطوال تسلسل mRNA تصل إلى 60 نيوكليوتيد. على حد علم المؤلفين، لم يقم أحد بمحاكاة تسلسلات تصل حتى إلى 42 نيوكليوتيدًا على حاسوب كمومي من قبل.
في عمل سيُنشر لاحقًا في عام 2025، طبق الباحثون المنهجية نفسها على أحجام مسائل تصل إلى 156 كيوبت تتضمن 950 بوابة لا محلية، وهو مقياس لمدى تعقيد الدائرة. لقد قدموا أيضًا مقاربة جديدة لهذا النوع من المشاكل، تُسمى التحسين الكمومي القائم على دوائر المعالجة الكمومية متعددة الحدود اللحظية (IQP). يتيح هذا النهج القائم على أخذ العينات، المشابه لطرق VQA القائمة على CVaR، الاستخدام الأكثر كفاءة للموارد الكمومية والكلاسيكية في بيئة حوسبة كمومية عالية الأداء (HPC) مشتركة.
تصور مسار للتكنولوجيا الحيوية الكمومية في المدى القريب
الهدف النهائي لشركة Moderna ليس استبدال الحوسبة التقليدية بالأساليب الكمومية، بل بناء مسار للتكنولوجيا الحيوية المدعومة بالكم في المدى القريب. "غالبًا ما يفكر الناس فقط في تفوق الكم على الكلاسيكي. هذا ليس بالضرورة هو الهدف. إنه أمر قيّم أيضًا إذا كانت أداة الكم الخاصة بك يمكن أن تقدم لك مجموعة أكثر تنوعًا من الحلول—مجموعة أكثر تنوعًا من الجزيئات لتوليدها واختبارها في المختبر الرطب،" قال Galda. "امتلاك هذه الأداة الإضافية بخصائصها النوعية المحددة جدًا ذو قيمة بالغة للمشكلات الحسابية التي تشكل اختناقات جوهرية في سير عملنا. أعتقد أن السيناريو الأكثر واقعية هو أن الحوسبة الكمومية ستعزز حوسبتنا التقليدية وتقدم مزايا معينة في مجالات محددة."
تتصور IBM أن تعمل الأساليب الكلاسيكية والكمومية معًا لحل أهم المشكلات التي تواجه المجتمع والأعمال. تعمل الحوسبة الفائقة المرتكزة على الكم على تقسيم المشكلات بين البنى الكمومية والكلاسيكية، حيث يعزز كل منهما قدرة الآخر على تقديم نتائج سريعة لمشكلات كان حلها مستعصيًا في السابق. يركز فريق IBM–Moderna يركز الأساليب المتمحورة حول الكم لمشكلة البنية الثانوية على نطاقات أكبر أيضًا.
قال Davis: "العمل مع IBM أتاح فرصة للشراكة مع شركة لها سجل حافل في تقديم نتائج بحثية مهمة. وفي مجال الحوسبة الكمومية، كان من المهم أن تمتلك IBM خريطة طريق واضحة لتطوير التكنولوجيا وسجلاً حافلاً بتحقيق الإنجازات على خريطة الطريق تلك."
بما أن الحوسبة الكمومية تتوسع، ترغب Moderna أن تكون جاهزة لاستخدامها لتقديم أكبر تأثير ممكن للناس من خلال أدوية mRNA.
تأسست Moderna عام 2010، وتعمل عند تقاطع العلوم والتكنولوجيا والصحة لابتكار أدوية mRNA بسرعة وكفاءة غير مسبوقتين. من خلال التقدم في تقنية mRNA، تعيد Moderna تصور كيفية صنع الأدوية وتُحدِث تحولًا في طريقة علاج الأمراض والوقاية منها للجميع. طورت الشركة أحد أوائل لقاحات كوفيد-19 وأكثرها فعالية—Spikevax—ولقاح الفيروس المخلوي التنفسي (RSV). مكنت منصة mRNA من Moderna من تطوير علاجات ولقاحات للأمراض المعدية، والأورام المناعية، والأمراض النادرة، وأمراض المناعة الذاتية. مع ثقافة فريدة وفريق عالمي يقوده قيم ومدارك Moderna لتغيير مستقبل صحة الإنسان بمسؤولية، تسعى الشركة جاهدة لتقديم أكبر تأثير ممكن للناس من خلال أدوية mRNA.
قانوني
حقوق النشر © محفوظة لشركة IBM Corporation لعام 2025. IBM وشعار IBM و IBM Quantum و IBM Research هي علامات تجارية أو علامات تجارية مسجلة لشركة IBM Corp. في الولايات المتحدة و/أو دول أخرى.
الأمثلة المقدَّمة للتوضيح فقط. ولكن تختلف النتائج الفعلية بناءً على إعدادات التكوينات لدى العميل وظروفه، وبالتالي لا يمكن توفير النتائج المتوقعة بشكل عام.