Flexible molecular alignment: an industrial case study on quantum algorithmic techniques

Abstract

Flexible molecular alignment is a complex and challenging problem in the area of Medic inal Chemistry. The current approach to this problem does not test all possible alignments, but makes a previous analysis of all the variables and chooses the ones with potentially greater impact in the posterior alignment. This procedure can lead to wrong ”best align ments” since not every data is considered. Quantum computation, due to its natural parallelism, may improve algorithmic solutions for this kind of problems because it may test and/or simulate all possible solutions in an execution cycle. As a case study proposed by BIAL and in collaboration with IBM, the main goal of this dissertation was to study and create quantum algorithms able to refactor the problem of molecular alignment in the new setting of quantum computation. Additionally, the comparison between both classical and quantum solutions was defined as a subsequent goal. During this dissertation and due to its complexity, in order to produce a practical solu tion to this problem, we resorted to a manageable number of conformations per molecule, revisited the classical solution and elaborated a corresponding quantum algorithm. Such algorithm was then tested in both a quantum simulator and a real device. Despite the privileged collaboration with IBM, the quantum simulations were not pro duced in viable time, making them impractical for industry applications. Nonetheless, tak ing in consideration the current point of development of quantum hardware, the suggested solutions still has potential for the future.

O alinhamento de moléculas flexíveis é um problema complexo na área de Química Medicinal, onde, mesmo hoje em dia, é um desafio encontrar uma solução. A atual abordagem para este problema não testa todos os possíveis alinhamentos. Em vez disso, realiza uma análise prévia de todas as variáveis e escolhe aquelas com maior potencial de impacto no posterior alinhamento. Este procedimento pode levar a falsos “melhores alinhamentos” visto que nem todos os dados são considerados. A computação quântica, devido ao seu natural paralelismo, pode melhorar as soluções algorítmicas deste tipo de problemas visto que poderá testar e/ou simular todas as possíveis soluções num ciclo de execução. Partindo de um caso de estudo proposto pela BIAL, e em colaboração com a IBM, o objetivo principal desta dissertação foi estudar e criar algoritmos quânticos capazes reformular no contexto de computação quântica o problema de alinhamento de moléculas. Adicionalmente, e como objetivo subsequente, foi prevista a comparação entre os algoritmos clássicos e quânticos. Durante esta dissertação e devido à sua complexidade, de modo a produzir uma solução prática para este problema, foi utilizado um número tratável de conformações por molécula, revisitada a solução clássica e desenvolvido um algoritmo quântico correspondente. Tal algoritmo foi depois testado tanto num simulador quântico como num dispositivo real. Apesar da colaboração privilegiada com a IBM, as simulações quânticas não foram produzidas em tempo viável, tornando-as impraticáveis para aplicações industriais. Não obstante, tendo em consideração o ponto atual de desenvolvimento dos dispositivos quânticos, as soluções propostas terão potencial para o futuro.