基于量子计算模拟病毒变异感染的方法技术

本发明专利技术提供基于量子计算模拟病毒变异感染的方法

【技术实现步骤摘要】
基于量子计算模拟病毒变异感染的方法、装置、介质及设备


[0001]本专利技术涉及量子计算
，尤其涉及一种基于量子计算模拟病毒变异感染的方法
、
装置
、
介质及设备
。

技术介绍

[0002]病毒免疫逃避是指病毒通过突变
、
重组
、
转移基因等变异方式，使得病毒的抗原性发生改变，从而逃避宿主免疫系统的攻击
。
病毒免疫逃避可导致病毒感染的持续性和传染性增强，也可导致病毒相关的疫苗和药物失效
。
许多传染病中都存在病毒免疫逃避现象，如艾滋病（
HIV
）病毒
、
流感病毒和新型冠状病毒等
。
[0003]传统模拟病毒免疫逃避过程的方法包括计算机模拟和实验室培养
。
计算机模拟通常采用生物信息学工具对病毒序列进行比对和分析，以预测其变异和突变情况
。
计算机模拟的精度受算法和数据质量的影响
。
实验室培养通常使用细胞培养技术和动物模型，通过人工感染和病毒处理等方式观察病毒免疫逃避的过程和机制
。
实验室培养需要耗费大量时间和资源，并且难以模拟人体内的免疫反应
。
[0004]在计算机模拟方式中，分子动力学模拟是一种基于牛顿力学原理的计算方法，可对分子的运动和相互作用进行模拟
。
通过分子动力学模拟，可以研究病毒和宿主细胞之间的相互作用，包括病毒免疫逃避的过程
。
分子动力学模拟不需要使用特殊的硬件设备，但也存在一些局限性，例如需要精确描述分子的物理化学性质和相互作用，模拟过程中需要处理大量的数据和复杂的算法，因此对计算资源和计算效率的要求仍然较高
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供基于量子计算模拟病毒变异感染的方法
、
装置
、
介质及设备，用以高效精准地实现对病毒变异感染情况进行模拟分析
。
[0006]根据本专利技术的一方面，提供一种基于量子计算模拟病毒变异感染的方法，包括以下步骤：获取病毒和宿主的蛋白质模型氨基酸序列，转换氨基酸序列为碱基对序列，对病毒的碱基对序列进行扰动变异处理
。
[0007]按照碱基对序列总长度建立量子电路，为病毒和宿主的每个碱基对分配量子比特及旋转角
。
[0008]对表示病毒和宿主的每个碱基对的量子比特施加
Hadamard
门，使量子比特处于叠加态
。
[0009]对处于叠加态的量子比特施加
U
门进行碱基对旋转角特征比对，若病毒和宿主的碱基对序列中存在相同的碱基对，则对表示该碱基对的量子比特施加
CNOT
门
。
[0010]对量子电路的量子比特施加测量操作，通过分析测量结果中状态为0的量子比特计数得到感染概率
。
[0011]根据本专利技术的一个实施例，该方法还包括：根据病毒和宿主的碱基对序列中相同
碱基对的数目获得病毒和宿主的氨基酸序列之间的相似度
。
[0012]根据本专利技术的一个实施例，根据病毒和宿主的碱基对序列中相同碱基对的数目获得病毒和宿主的氨基酸序列之间的相似度的步骤中，按照公式计算得到相似度
S
ν
,
α
，其中，
ν
表示病毒的氨基酸序列，
ν
i
表示病毒氨基酸序列的碱基对，
m
为病毒的碱基对序列总长度，
α
表示宿主的氨基酸序列， α
j
表示宿主氨基酸序列的碱基对，
n
为宿主的碱基对序列总长度，
δ
表示当
ν
i = α
j
时取值为1，否则取值为0，
1≤ i ≤n
，
1≤ j ≤m。
[0013]根据本专利技术的一个实施例，为病毒和宿主的每个碱基对分配量子比特及旋转角的步骤还包括：为每个碱基对分配与量子比特对应的经典比特，所述经典比特用于存储对应量子比特的测量结果；对量子电路的量子比特施加测量操作的步骤还包括：在测量后将量子比特的状态映射存储到对应的经典比特
。
[0014]根据本专利技术的一个实施例，通过分析测量结果中状态为0的量子比特计数得到感染概率的步骤包括：统计状态为0的量子比特计数
R0，得到病毒感染概率
P
infected
= R0/m
，其中
m
为病毒的碱基对序列总长度
。
[0015]根据本专利技术的一个实施例，该方法进一步还包括：针对病毒的碱基对序列进行多次扰动变异处理，对多次变异迭代模拟获得的感染概率进行正态分布分析，根据正态分布分析结果确定病毒的平均感染概率
。
[0016]根据本专利技术的一个实施例，该方法进一步包括：针对多种病毒分别进行多次变异迭代模拟得到的平均感染概率进行筛选，筛选出平均感染概率大于或等于感染阈值的病毒
。
[0017]根据本专利技术的另一方面，提供一种基于量子计算模拟病毒变异感染的装置，包括：数据输入单元，被配置为获取病毒和宿主的蛋白质模型氨基酸序列，转换氨基酸序列为碱基对序列；数据变异单元，被配置为对病毒的碱基对序列进行扰动变异处理；数据映射单元，被配置为根据碱基对序列总长度确定所需量子比特数，为病毒和宿主的每个碱基对分配量子电路中的量子比特及旋转角；量子电路，被配置为根据所需量子比特数生成量子比特，对表示病毒和宿主的每个碱基对的量子比特施加
Hadamard
门，使量子比特处于叠加态；对处于叠加态的量子比特施加
U
门进行碱基对旋转角特征比对，若病毒和宿主的碱基对序列中存在相同的碱基对，则对表示该碱基对的量子比特施加
CNOT
门；结果存储单元，被配置为存储对量子电路的量子比特施加测量操作后的测量结果；结果分析单元，被配置为对测量结果进行分析，通过分析测量结果中状态为0的量子比特计数得到感染概率，根据病毒和宿主的氨基酸序列中相同的碱基对的数目获得病毒和宿主的氨基酸序列之间的相似度
。
[0018]根据本专利技术的一个实施例，量子电路包括在时序上依序排列的施加到量子比特的
Hadamard
门
、 U
门和
CNOT
门
。
[0019]根据本专利技术的另一方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机程序在被处理器执行时，实现如前面所述的基于量子计算模拟病毒变异感染的方法
。
[0020]根据本专利技术的另一方面，提供一种量子计算设备，包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如前面所述的基于量子计算模拟病毒变异感染的方法
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于量子计算模拟病毒变异感染的方法，其特征在于，包括以下步骤：获取病毒和宿主的蛋白质模型氨基酸序列，转换氨基酸序列为碱基对序列，对病毒的碱基对序列进行扰动变异处理；按照碱基对序列总长度建立量子电路，为病毒和宿主的每个碱基对分配量子比特及旋转角；对表示病毒和宿主的每个碱基对的量子比特施加
Hadamard
门，使量子比特处于叠加态；对处于叠加态的量子比特施加
U
门进行碱基对旋转角特征比对，若病毒和宿主的碱基对序列中存在相同的碱基对，则对表示该碱基对的量子比特施加
CNOT
门；对量子电路的量子比特施加测量操作，通过分析测量结果中状态为0的量子比特计数得到感染概率
。2.
根据权利要求1所述的基于量子计算模拟病毒变异感染的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据病毒和宿主的碱基对序列中相同碱基对的数目获得病毒和宿主的氨基酸序列之间的相似度
。3.
根据权利要求2所述的基于量子计算模拟病毒变异感染的方法，其特征在于，所述根据病毒和宿主的碱基对序列中相同碱基对的数目获得病毒和宿主的氨基酸序列之间的相似度的步骤中，按照公式计算得到相似度
S
ν
,
α
，其中，
ν
表示病毒的氨基酸序列，
ν
i
表示病毒氨基酸序列的碱基对，
m
为病毒的碱基对序列总长度，
α
表示宿主的氨基酸序列， α
j
表示宿主氨基酸序列的碱基对，
n
为宿主的碱基对序列总长度，
δ
表示当
ν
i = α
j
时取值为1，否则取值为0，
1≤ i ≤n
，
1≤ j ≤m。4.
根据权利要求1所述的基于量子计算模拟病毒变异感染的方法，其特征在于，所述为病毒和宿主的每个碱基对分配量子比特及旋转角的步骤还包括：为每个碱基对分配与量子比特对应的经典比特，所述经典比特用于存储对应量子比特的测量结果；所述对量子电路的量子比特施加测量操作的步骤还包括：在测量后将量子比特的状态映射存储到对应的经典比特
。5.
根据权利要求1所述的基于量子计算模拟病毒变异感染的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥洪，周卓俊，韩琢，罗乐，
申请(专利权)人：启科量子技术珠海有限公司，
类型：发明
国别省市：