»Ved du, hvad det her er?,« spørger Matthias Christandl og vifter med en stor molekylestruktur i plastik.
»Det er en aminosyre,« siger professoren fra sin stol i et aflangt mødelokale med skråvægge på Østerbro i København. Han fortsætter langsomt og pædagogisk nikkende med et par meget åbne øjne inde bag brilleglasset.
»En aminosyre består af molekyler. Molekyler består af atomer. Og atomer beskrives af kvanteteorien. Så kvanteteorien beskriver også molekyler, for molekyler er bare sammensatte atomer.«
Så enkelt kan koblingen mellem kvantefysikken og biologien beskrives.
Et umage videnskabeligt ægteskab, der spås til at kunne redde mange, mange menneskeliv i fremtiden. Kvantecomputeren, der bygger på kvantefysik, kan nemlig være nøglen til at opdage ny og bedre medicin.
Hvis det altså nogensinde bliver til virkelighed. Netop det er Matthias Christandls mission.
Han er professor i matematik på Københavns Universitet og leder forskningscentret Quantum for Life, der forsøger at forene computervidenskab, kvantefysik og biologi i en kompliceret blanding, der - måske - kan revolutionere vores verden.
Videnskab.dk har besøgt forskningscentret for at forstå, hvordan det lader sig gøre.
Enorme forventninger
Forventningerne til kvantecomputeren er mildt sagt varme i disse år.
Men blandingen af kvantefysik og farmaci - læren om lægemidler - er i særdeleshed ‘hot stuff’, fortæller Ulrich Busk Hoff, der leder kvanteforskningscentret på Danmarks Tekniske Universitet - QuantumDTU:
»Et gennembrud inden for farmaci i form af ny, bedre eller billigere medicin vil gøre en positiv forskel for mange mennesker,« forudser Ulrich Busk Hoff, der ikke er involveret i arbejdet på forskningscentret Quantum for Life.
\ Store investeringer i kvantecomputer-jagt på ny medicin
Interessen i kvantecomputer-frembragt medicin har Quantum for Life Center også fået at mærke.
Først i 2020 da Novo Nordisk bevilgede 48,6 millioner kroner til oprettelsen af centret. Senest da EU’s konkurrencekommissær Margrethe Vestager i marts lagde vejen forbi forskningscentret på Østerbro.
21. september 2022 var Novo Nordisk Fonden igen på banen med en mega-investering på 1,5 milliarder kroner i et 12 år langt forskningsprogram i kvantecomputere. Formålet bliver blandt andet at finde og udvikle ny medicin.
Trods de gærende forventninger er centerleder Matthias Christandl forsigtig med at love for meget, når det kommer til kvantecomputer-frembragt medicin:
»Jeg kan ikke love, at vores arbejde fører til nye lægemidler om 10 eller 20 år. Men vi gør vores bedste for at lave et ‘proof of principle’, der kan demonstrere, at det kan lade sig gøre,« siger han.
At fange atomer
I mødelokalet på Østerbro lægger Matthias Christandl aminosyre-strukturen fra sig igen og trækker en stor, grøn plade frem med rækkevis af små huller; en forstørret model af en lille membran, der kan ses som nøglen til at løse problemet.
I hvert lille hul af membranen forsøger forskerne at fange og fastholde enkelte atomer, forklarer han.
Hvis man kan holde enkelte atomer fast, kan man bygge kopier af biologiske komponenter - som molekyler, aminosyrer og med tiden makromolekyler - fra bunden.
Bliver det muligt, vil forskerne kunne opbygge kopier af hele molekyler ned på atomniveau, som de derfra kan styre og simulere gennem kvantecomputere.
Så simpelt kan planen om at styre molekyler gennem kvantecomputere forklares. Men simpelt er det langtfra.
Molekyler i en høstak
Søgen efter ny medicin i dag er ofte én lang og dyr parade af trial-and-error-forsøg.
Når virksomheder eller forskere udvikler ny medicin, prøver de sig blandt andet frem ved at få supercomputere til at simulere molekyler i én uendelighed.
\ Simulerer millioner af molekyler i jagten på ny medicin
Grunden til, at de må prøve sig frem på den måde, er, at mængden af molekyler, der findes ‘derude’, og som måske kan bruges som medicin, er så astronomisk, at det er som at lede efter en nål i en høstak.
»Ofte skal man igennem flere millioner nye molekyler i jagten på at producere det helt rigtige medikament uden bivirkninger,« som forsker i forsøgsdyrsmedicin Aage Kristian Olsen Alstrup har forklaret det på Videnskab.dk’s Forskerzonen.
Når forskerne mener, at de er på sporet af et interessant molekyle, går de i laboratoriet og efterprøver det med kemiske eksperimenter. Har molekylet ikke den effekt, som de havde håbet på, må de tilbage foran computeren og simulere molekyler igen.
Men klassiske computere har kun regnekraft til at foretage relativt simpel molekylesimulering. Så søgen efter molekylet i høstakken går langtfra så hurtigt, som den kunne gøre.
Størrelsen på den computer, der er brug for, vokser tilmed eksponentielt med størrelsen af molekylet. Så hver gang, der lægges et atom til en molekylesimulering, skal computerens regnekraft fordobles.
»Det bliver lynhurtigt en meget stor computer, du skal bruge. Derfor kan du kun simulere mindre molekyler på klassiske computere,« konstaterer Matthias Christandl.
Jagten på makromolekyler
Her kommer kvantecomputeren ind i billedet.
Når atomerne i et molekyle er underlagt kvantefysikken, kan en kvantecomputer nemlig også simulere molekyler.
Da kvantecomputeren samtidig regner med en kraft, der får de bedste klassiske supercomputere til at ligne en Commodore 64, vil de også kunne simulere langt større og mere komplekse makromolekyler.
Muligheden for dette forudså den verdenskendte videnskabsmand og nobelprisvinder i fysik Richard Feynman allerede i 1981.
De seneste år er hans profeti næsten gjort virkelig. Flere forskere har udført succesfulde molekylesimuleringer med kvantecomputere - dog ikke i makromolekyle-størrelsen (se faktaboks).
\ Molekylesimuleringer med kvantecomputere
I 2017 satte et forskerhold fra IBM en bemærkelsesværdig rekord, da de i tidsskriftet Nature kunne meddele, at de var lykkedes med at simulere et lille molekyle kaldet BeH2 ved hjælp af en kvantecomputer.
BeH2-molekylet består kun af to brintatomer, der sidder fast på et atom fra grundstoffet beryllium.
Normalt består de molekyler, der kan udnyttes til ny medicin, af 50 til 80 atomer. Mens proteinerne, som medicinen skal interagere med - og som forskerne også skal simulere - består af tusindvis af atomer.
I 2020 slog et hold Google-forskere så den rekord, da de med en Google-kvantecomputer simulerede et molekyle bestående af 12 brintatomer. Den nye rekord blev publiceret i tidsskriftet Science.
Endelig i marts 2022 lykkedes det nok engang Google at slå sin egen rekord, da man simulerede et miks af molekyler, der bestod af hele 120 ‘elektronskyer’. Altså af elektroner, der bevæger sig rundt om en atomkerne. Forsøget blev præsenteret i Nature.
Hvis det lykkes at simulere makromolekyler, er der tid og penge at spare.
»I stedet for at lave dyre trial-and-error-forsøg i laboratoriet, vil man langt hen ad vejen kunne regne sig frem til, hvilke molekyler der har potentialet til at blive til ny medicin,« forklarer Matthias Christandl.
Jagten på at få det til at lykkes kan inddeles i tre trin.
Trin 1: Det særligt kvantefysiske
Første udfordring er at finde frem til de molekyler, der egner sig bedst til at blive genskabt og undersøgt i kvante-form.
»Du skal tænke dig ind i, hvad der er specielt kvante i hvert molekyle: Hvad er forskellen på den kvantefysiske og klassiske beskrivelse af molekylet? Det er allerede en kæmpe udfordring,« fortæller Matthias Christandl.
På et schweizisk laboratorium i Zürich står en mindre hær af kemikere derfor for at udvælge de molekyler, der har noget særligt kvantefysisk over sig.
Når kemikerne har fundet frem til nogle molekyler, som det giver mening at gå kvantemekanisk til, sender de opgaven videre til Matthias Christandl og hans gruppe på det ydre Østerbro i København.
Trin 2: Algoritmer
Så træder Matthias Christandl og hans armé af dataloger og matematikere ind på scenen. Deres opgave består i at bygge en kvantealgoritme, der kan simulere molekylets kvantesystem.
Forskerne kan ikke bare nøjes med at kende den kvantefysiske beskrivelse af et molekyle, som kemikerne i Zürich har løst for dem. Matthias Christandl og hans computernørder skal ‘tæmme’ molekylet ved at kode dets kvantesystem i en kvantealgoritme.
Kvantefysikken er nemlig ustyrlig: To kvantepartikler kan være to steder i verden samtidig (superposition). Måler man på én kvantepartikel, vil målingen kunne påvirke andre kvantepartikler (sammenfiltring).
Et kvantesystem har vi derfor meget lidt kontrol over i virkeligheden. Men en kopi af et kvantesystem, som er beskrevet gennem en algoritme, kan man godt kontrollere - og dermed simulere på en kvantecomputer.
Lidt ligesom du kan kontrollere et fodboldspil på computeren, men ikke kan styre, hvad der sker nede på fodboldbanen i virkeligheden.
Men at bygge en god algoritme er en videnskab i sig selv. Og når det kommer til udviklingen af kvantealgoritmer, er der langt mere uudforsket land end ved algoritmer til klassiske computere.
Så igen: Det lyder måske simpelt nok at skulle skrive ‘kvantealgoritmer’. Men for nu er denne del lige så tricky som… ja, udforskningen af kvantefysikken.
\ Et miks af videnskaber
Selvom det at fange atomer er den mest fundamentale del, er det kun én del af et komplekst arbejde, der forgrener sig i mange forskellige videnskabelige retninger:
- En biokemi-del: Forskerne skal finde ud af, hvad de særlige kvantefysiske egenskaber er ved et molekyle.
- En matematik og datalogi-del: Forskerne skal udvikle særlige kvantealgoritmer, der kan genskabe molekylets kvantesystem, så de kan gennemføre en kvantesimulering af molekylet.
- En eksperimentel fysik-del: Forskerne skal - gennem avancerede eksperimenter - lære at fastholde molekylets enkelte atomer i membranen.
Hvert skridt er stadig under udvikling. Men de skal forfines og udforskes, før Quantum for Life-centret kan bevise, at kvantecomputere kan udnyttes til at skabe farmakologiske gennembrud.
Trin 3: Eksperimentet
Mens Matthias Christandls gruppe forfiner algoritmerne, står endnu et forskerhold af eksperimentalfysikere i en kælder under Niels Bohr Institutet - blot et halvlangt stenkast fra kontoret på Østerbro.
I kælderen bakser de med at fange atomerne i membranen - den grønne model af en plade, som Matthias Christandl hev frem i mødelokalet med de skrå vægge. Den ægte membran er dog en lille mikroskopisk chip bestående af siliciumnitrid.
Er man i tvivl om, hvorvidt det er avanceret, skal man bare kaste et blik på eksperimentets opstilling.
I kælderlokalet, der holder en stabil temperatur på 24 grader (én grad varmere eller koldere vil ødelægge eksperimentet), fordeler et landskab af flere end 300 optiske spejle (alle har en funktion!) og en jungle af kabler sig over to brede metalborde.
I midten af det ene bord troner hovedeksperimentet: en høj metalkonstruktion med et aflangt glas i midten. I bunden af glasset hænger membranen, som forskerne forsøger at fange atomerne i.
Øverst i glasset producerer fysikerne så en sky af iskolde atomer, der »er som en lille galakse,« fortæller Jean-Baptiste Sylvain Béguin, adjunkt i kvanteoptik på Niels Bohr Institutet.
Forskerne bruger en laserteknik til at isolere og styre en gruppe af atomerne fra skyen og ned mod bunden af glasset.
Nede i bunden af glasset kan atomerne så - igen ved brugen af lasere - skubbes på plads ind i membranen, hvor det er meningen, at atomerne skal fanges enkeltvis i hvert lille hul.
Lykkes de med dette - og det er ikke til sige, hvornår det vil ske - kan forskerne bygge ‘kunstige’ molekyler helt ned på atomniveau.
Science fiction?
Når de kunstige molekyler kan bygges og kontrolleres, kan kvantealgoritmerne sættes i gang, og så kan de store medicinalvirksomheder give sig til at lede efter ny medicin med en effektivitet, som verden aldrig før har set.
En effektivitet, der med tiden vil gøre det muligt at simulere alle makromolekyler overhovedet. Og med tiden vil hjælpe os med at forstå og behandle forfærdelige sygdomme som Alzheimers og ALS, hvor bare et enkelt basepar i en proteinfoldning er gået forkert.
I princippet i al fald.
For der er - som du nok kan fornemme - lidt lang vej endnu. Alle tre trin fra kemikernes jagt på molekylers kvantesystem til datalogernes koloenorme koder af kvantealgoritmer og fysikernes evne til at isolere og styre atomer skal mestres - og gentages igen og igen - uden fejl.
»Det er stadig ren grundforskning,« påpeger Matthias Christandl.
»Vores mål er at bygge en platform, der kan demonstrere, at principperne bag kvantesimulering af molekyler virker,« siger han.
Men er det science fiction? Kommer det nogensinde til at virke?
»Det er svært at sige. Jeg kan godt lide at fokusere på, hvor fantastisk et fremskridt der er sket på kvanteteknologi-området de seneste fem år. For bare fem år siden havde vi ikke kvantebit, der kunne kobles til en kvantecomputer. Nu er det lykkedes at bruge computere med flere end hundrede kvantebit.«
»Man kan kun gætte på, hvad vi kommer til at kunne i fremtiden,« slutter Matthias Christandl.
