Un approccio che combina calcolo classico e quantistico per affrontare la complessità della ricostruzione degli alberi filogenetici a partire dai dati genetici
Il CRS4 parteciperà al CIBB 2026 – 21st International Conference on Computational Intelligence Methods for Bioinformatics and Biostatistics, in programma dal 2 al 4 settembre 2026 all’Università La Sapienza di Roma, presentando un lavoro che esplora l’impiego di metodi di ottimizzazione quantistica nello studio delle relazioni evolutive tra popolazioni umane.
Il punto di partenza sono le differenze presenti nel DNA. Confrontando un grande numero di varianti genetiche è possibile ricostruire le relazioni tra diversi campioni e rappresentarle attraverso un albero filogenetico, una rappresentazione simile a un albero genealogico che descrive come gruppi di organismi sono collegati tra loro dal punto di vista evolutivo.
Individuare l’albero che meglio rappresenta i dati disponibili è però un problema computazionale molto complesso: all’aumentare del numero di elementi considerati cresce enormemente anche il numero delle possibili soluzioni. Il lavoro del CRS4 propone un metodo che consente di affrontare questo problema suddividendolo in problemi più piccoli, che possono essere risolti separatamente e successivamente ricomposti. L’obiettivo è rendere questo tipo di elaborazione compatibile anche con le capacità, ancora limitate, degli attuali sistemi di calcolo quantistico.
Il metodo è stato sperimentato utilizzando dati genomici già disponibili relativi al cromosoma Y e analizzando oltre 128 mila varianti genetiche. La procedura ha permesso di ricostruire un albero delle relazioni evolutive, ottenendo risultati confrontabili con quelli di un metodo classico di riferimento. In questa fase, gli algoritmi quantistici sono stati eseguiti attraverso un simulatore.
Il lavoro, dal titolo “A Block Decomposed QUBO Workflow for Chromosome-Y Phylogeny Reconstruction”, è stato realizzato dai ricercatori del CRS4 Giuliana Siddi Moreau, Riccardo Berutti, Manuela Profir, Lorenzo Pisani, Maria Laura Clemente e Lidia Leoni.
Tra gli sviluppi futuri indicati dagli autori è prevista la sperimentazione del metodo su processori quantistici reali, sia a tecnologia superconduttiva sia a ioni intrappolati, e il confronto con i metodi classici utilizzati per la ricostruzione degli alberi filogenetici.
Il lavoro è stato realizzato nell’ambito del progetto istituzionale QCC & HPC – Quantum Computation and Communication – High Performance Computing, finanziato dalla Regione Autonoma della Sardegna attraverso Sardegna Ricerche, con il contributo ex art. 9 L.R. 20/2015.
Il contributo sarà presentato giovedì 3 settembre, nell’ambito della Special Session SS16 “Quantum Artificial Intelligence for Bioinformatics and Biostatistics: Theory, Algorithms, and Applications” del CIBB 2026.
Nell’immagine: sullo schermo è riprodotto lo schema della procedura sviluppata dai ricercatori del CRS4, che mostra le diverse fasi dell’elaborazione, dai dati genetici del cromosoma Y alla ricostruzione dell’albero filogenetico, combinando metodi di calcolo classico e di ottimizzazione quantistica.
