Einblicke in die Quantentechnologie

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Bioinformatik und Quanteninformatik haben viel mehr gemeinsam, als man denkt. Könnten sie sich irgendwann verbinden?

By Kenna Hughes-Castleberry gepostet am 12. Mai 2023

Bioinformatik und Quanteninformatik sind zwei Spitzentechnologien, die das Potenzial haben, die Art und Weise, wie wir Informationen verarbeiten und komplexe Probleme lösen, zu revolutionieren. Obwohl diese Computerbereiche auf grundlegend unterschiedlichen Prinzipien basieren, zielen sie darauf ab, eine beispiellose Rechenleistung und -geschwindigkeit zu erreichen. Um zu verstehen, wie sich jede dieser Technologien in Zukunft verändern wird, ist es wichtig, die Grundlagen jeder einzelnen Technologie zu verstehen.

Was ist Bioinformatik?

Biocomputing oder DNA-Computing oder Molecular Computing nutzt biologische Moleküle wie DNA, RNA und Proteine, um Berechnungen durchzuführen. Die Grundidee des Biocomputing besteht darin, die inhärente Parallelität und Informationsspeicherkapazität biologischer Systeme für komplexe Aufgaben zu nutzen Berechnungen. DNA-Computing nutzt beispielsweise die Fähigkeit von DNA-Molekülen, Informationen zu speichern und zu manipulieren, um Berechnungen durchzuführen. Dies geschieht durch die Kodierung von Informationen in der Sequenz von Nukleotiden, aus denen DNA-Moleküle bestehen, und durch den anschließenden Einsatz von Enzymen und anderen biologischen Molekülen zur Manipulation und Verarbeitung der DNA.

Einer der entscheidenden Vorteile des Biocomputing besteht darin, dass es das Potenzial hat, mit relativ einfacher Ausrüstung massiv parallele Berechnungen durchzuführen. Dies macht Biocomputing zu einer vielversprechenden Technologie für Anwendungen in den Bereichen Bioinformatik, Arzneimittelentwicklung und Datenspeicherung.

Andere Arten von Bioinformatik stützen sich auf die Neurowissenschaften, um Computernetzwerke auf der Grundlage von Neuronen im Gehirn zu schaffen. Kürzlich haben Forscher bei John Hopkins University sind noch einen Schritt weiter gegangen und haben „organoide“ menschliche Gehirne geschaffen, die als neues Computermodell verwendet werden könnten. „Wir nennen dieses neue interdisziplinäre Feld ‚organoide Intelligenz‘ (OI)“, sagte Prof. Thomas Hartung von der Johns Hopkins University kürzlich in einer Studie Pressemitteilung. „Eine Gemeinschaft von Spitzenwissenschaftlern hat sich zusammengeschlossen, um diese Technologie zu entwickeln, von der wir glauben, dass sie eine neue Ära des schnellen, leistungsstarken und effizienten Biocomputing einläuten wird.“ Natürlich muss noch viel weiter geforscht und viele ethische Fragen beantwortet werden, aber Experten gehen davon aus, dass sich dieser Markt lohnen wird 8.3 Milliarden Dollar von 2028.

Was ist Quantencomputer?

Quantencomputing ist eine Art des Rechnens, das quantenmechanische Phänomene wie Superposition und Verschränkung nutzt, um Berechnungen durchzuführen. Im Gegensatz zum klassischen Rechnen, das auf binären Bits basiert, die entweder 0 oder 1 sein können, verwendet Quantencomputing Quantenbits oder Qubits, die in a vorliegen können Überlagerung von 0 und 1 gleichzeitig. Dadurch können Quantencomputer bestimmte Berechnungen viel schneller durchführen als klassische Computer.

Einer der entscheidenden Vorteile des Quantencomputings besteht darin, dass es bestimmte Arten von Berechnungen durchführen kann, die für klassische Computer nicht zu bewältigen sind. Beispielsweise wurde gezeigt, dass Quantencomputer in der Lage sind, bestimmte Arten von Problemen zu lösen Optimierung Probleme viel schneller lösen als klassische Computer. Die Quantencomputerbranche ist weltweit bereits stark gewachsen, da Unternehmen, Wissenschaftler, Regierungen und andere Organisationen intensiv in diese Technologie der nächsten Generation eintauchen.

Vergleich von Biocomputing und Quantencomputing

Obwohl Bioinformatik und Quanteninformatik auf grundlegend unterschiedlichen Prinzipien basieren, gibt es einige Ähnlichkeiten zwischen diesen beiden Computerbereichen. Bioinformatik und Quanteninformatik basieren beispielsweise auf Parallelitäts- und Informationsspeicherprinzipien. Beim Biocomputing wird Parallelität dadurch erreicht, dass viele biologische Moleküle gleichzeitig Berechnungen durchführen. Beim Quantencomputing wird Parallelität durch Qubits erreicht, die sich in einer Überlagerung von Zuständen befinden können.

Eine weitere Ähnlichkeit zwischen Bioinformatik und Quanteninformatik besteht darin, dass beide Computerbereiche das Potenzial haben, bestimmte Arten von Berechnungen viel schneller durchzuführen als klassische Computer. Allerdings sind die Arten von Berechnungen, die durch Biocomputing und Quantencomputing schneller durchgeführt werden können, unterschiedlich. Bioinformatik eignet sich besonders gut für Probleme, bei denen es um große Datenmengen geht, wie z DNA Sequenzierung oder Proteinfaltung. Andererseits eignet sich Quantencomputing besonders gut für Optimierungs- oder Simulationsprobleme.

Schließlich befinden sich Bioinformatik und Quanteninformatik noch in einem frühen Entwicklungsstadium und müssen viele technische Herausforderungen bewältigen, bevor sie weit verbreitet werden können. Beispielsweise steht die Bioinformatik vor Herausforderungen in den Bereichen Fehlerkorrektur, Skalierung und Zuverlässigkeit. Quantencomputing steht vor Herausforderungen im Zusammenhang mit Fehlerkorrektur, Dekohärenz und Skalierbarkeit.

Bioinformatik und Quanteninformatik sind zwei spannende Bereiche der Informatik, die das Potenzial haben, die Art und Weise, wie wir Informationen verarbeiten und komplexe Probleme lösen, zu revolutionieren. Obwohl Bioinformatik und Quanteninformatik auf grundlegend unterschiedlichen Prinzipien basieren, weisen sie hinsichtlich ihrer Ziele und potenziellen Anwendungen Gemeinsamkeiten auf. Da sich jede Branche im nächsten Jahrzehnt weiterentwickelt, wird es zahlreiche Möglichkeiten für den Austausch zwischen den beiden Branchen und mögliche Partnerschaften geben Kooperationen robuste, zukunftsweisende Technologie zu entwickeln.

Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Science Communicator bei JILA (eine Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Zu ihren Schreibthemen gehören Deep Tech, Quantencomputing und KI. Ihre Arbeit wurde in Scientific American, Discover Magazine, Ars Technica und anderen vorgestellt.