Erstmals: Virusgenom auf Quantencomputer codiert

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler des Wellcome Sanger Institute ein vollständiges Virusgenom auf einem Quantencomputer codiert. Das Team speicherte das Erbgut des Hepatitis-D-Virus auf IBMs Heron-Prozessor mit 156 Qubits und verbesserte damit frühere Versuche um mindestens eine Größenordnung. Das Ergebnis beantwortet eine Grundsatzfrage der Quantenbiologie: Biologische Informationen dieser Komplexität lassen sich tatsächlich auf Quantenhardware abbilden. Für die pharmazeutische Wirkstoffforschung, die jedes Jahr Milliarden in klinische Fehlschläge investiert, beginnt damit ein neues Kapitel.

Warum die Größenordnung zählt

Ein Quantencomputer repräsentiert Daten nicht in klassischen Nullen und Einsen, sondern in Qubits, die gleichzeitig verschiedene Zustände annehmen können. Das ermöglicht Berechnungen, bei denen klassische Computer an ihre Grenzen stoßen: Bestimmte biochemische Simulationen, bei denen klassische Systeme exponentiell viele Zustände durchrechnen müssten, könnten auf Quantenhardware in Minuten laufen statt in Jahrzehnten. Die Voraussetzung war bisher nicht erfüllt, denn Quantensysteme hatten nicht genug stabile Qubits, um biologische Moleküle in ausreichender Komplexität abzubilden.

Das Hepatitis-D-Virus ist eines der kleinsten bekannten Humanpathogene. Sein Genom umfasst 1.678 Basen und eignet sich deshalb als Testfall für aktuelle Quantenhardware. Frühere Versuche, biologische Sequenzen in Quantenzustände zu übersetzen, scheiterten bei Fragmenten von wenigen Dutzend Basen. Zum Vergleich: Das menschliche Genom umfasst rund drei Milliarden Basenpaare. Der heutige Durchbruch ist ein Machbarkeitsnachweis auf dem kleinsten klinisch relevanten Objekt, weit entfernt von der Genomik des Menschen. Aber er beweist das Prinzip.

Ein internationaler Wettbewerb als Treiber

Das Ergebnis entstand im Rahmen des Q4Bio Challenge der Organisation Wellcome Leap, einem Wettbewerb, der Quantenhardware mit konkreten biologischen Fragestellungen verbindet. Wellcome Leap ist eine Fördertochter der Wellcome-Stiftung in London und investiert gezielt in riskante, hochpotenzielle Forschungsprojekte. Fünf von sechs Teams in der Finalrunde nutzten IBM-Quantencomputer als Plattform. Den Hauptpreis von zwei Millionen Dollar gewann das finnische Startup Algorithmiq gemeinsam mit der Cleveland Clinic in Ohio. Algorithmiq entwickelt Quantenalgorithmen für die Wirkstoffsuche und demonstrierte, dass sein Ansatz in bestimmten molekularen Simulationsaufgaben klassische Lösungen übertrifft. Das ist die Schwelle, die IBM als Quantum Advantage bezeichnet.

IBM nutzte den Wettbewerb, um den praktischen Einsatz seiner Hardware in den Biowissenschaften zu dokumentieren. Die Anwendungsfelder des Wettbewerbs umfassten Genomik, Biomarker-Forschung, Wirkstoffentwicklung und Biochemie. Das Q4Bio Challenge setzt dabei ein neues Muster: Statt synthetischer Benchmarks werden Quantencomputer an echten wissenschaftlichen Problemen gemessen. Die Frage verschiebt sich von der Anzahl verfügbarer Qubits zu dem, was ein System tatsächlich lösen kann.

Was der Nachweis bedeutet und was nicht

IBMs Heron-Prozessor mit 156 Qubits ist noch kein fehlertolerantes System. In der Praxis bedeutet das: Berechnungen können durch Qubitrauschen verfälscht werden, was komplexe Langzeitsimulationen einschränkt. Fehlertoleranz bedeutet, dass mehrere physische Qubits zu einem robusten logischen Qubit zusammengefasst werden, das Fehler selbst erkennt und behebt. Diese Technologie ist für industrielle Anwendungen noch nicht reif. Für Pharmaunternehmen, die Proteininteraktionen stundenlang simulieren wollen, ist das die eigentliche Hürde.

Der wirtschaftliche Einsatz lohnt sich trotzdem schon auf dem Weg dorthin. Von den rund 2.000 bis 3.000 Substanzen, die ein Pharmaunternehmen pro Wirkstoff testet, scheitern die meisten an molekularen Eigenschaften, die eine präzise Quantensimulation vorhersagen könnte. Wenn Quantencomputer auch nur einen Bruchteil dieser Fehlschläge vermeiden, spart das Milliarden. Der Weg dorthin führt über Schritte wie den heutigen: zeigen, dass Repräsentation möglich ist, bevor Berechnung skaliert werden kann. Die Genomcodierung des Wellcome Sanger Institute ist dieser erste Schritt.

Konkret interessant für die Forschung sind nicht nur Viren, sondern vor allem Proteine. Missgefaltete Proteine sind die Ursache von Alzheimer, Parkinson und Krebs. AlphaFold von Google DeepMind hat die Struktur von Proteinen bereits klassisch gelöst. Der nächste Schritt wäre die dynamische Simulation: wie ein Protein seine Form ändert, wenn ein Wirkstoff bindet. Für diese Berechnungen sind Quantencomputer theoretisch ideal geeignet. Das setzt allerdings Systeme voraus, die fehlertoleranter rechnen als der Heron-Prozessor heute.

Kontext: Europas Quantenstrategie

Das Wellcome Sanger Ergebnis trifft auf eine europäische Quantenlandschaft im Aufbruch. Drei Tage vor der Veröffentlichung startete das Bundesforschungsministerium die Quantum Computing Competition, ein Förderprogramm, das Konsortien bis zu 55 Millionen Euro bietet, wenn sie bis 2030 fehlerkorrigierte Quantencomputer bauen. Europa liegt im globalen Vergleich bisher zurück: IBM betreibt bereits Systeme mit mehr als 1.000 Qubits, Google hat 2019 mit seinem Sycamore-Chip erste Belege für Quantum Advantage veröffentlicht. Das IBM-Ergebnis von heute zeigt, dass der Rückstand Europas in Teilen durch gezielte Forschungspartnerschaften mit US-Hardware überbrückt werden kann.

IBM hat Quantum Advantage für 2026 auf seiner Entwicklungsroadmap, den Punkt, an dem Quantencomputer klassische Systeme in konkreten Aufgaben übertreffen. Der Q4Bio Challenge ist der Versuch, diesen Übergang in echten wissenschaftlichen Anwendungen nachzuweisen statt in synthetischen Benchmarks. Wellcome Leap plant eine zweite Wettbewerbsrunde. Ob dabei größere Genome auf fehlerkorrigierten Systemen skaliert werden können, hängt davon ab, wie IBM seinen Heron-Prozessor in den nächsten Monaten weiterentwickelt. Am 14. April 2026 hat Deutschland mit der Quantum Computing Competition zumindest den strukturellen Rahmen gelegt, um europäische Systeme auf dieses Niveau zu bringen.