Xanadu Manfaatkan Algoritma Kuantum untuk Terapi Kanker

Perkembangan teknologi komputasi kuantum tidak lagi sebatas wacana futuristik atau eksperimen laboratorium semata. Kini, teknologi tersebut mulai diarahkan untuk menjawab tantangan nyata di bidang kesehatan, salah satunya dalam pengobatan kanker. Xanadu Quantum Technologies Inc., perusahaan komputasi kuantum asal Kanada, menghadirkan sebuah terobosan melalui pengembangan fault-tolerant quantum algorithms yang dirancang untuk mempercepat penemuan fotosensitizer generasi terbaru bagi terapi kanker fotodinamik.

Penelitian Xanadu ini dipublikasikan dalam bentuk pre-print dan menunjukkan bagaimana komputer kuantum dapat mensimulasikan sifat fisik molekul fotosensitizer secara lebih akurat dibandingkan metode komputasi klasik. Fotosensitizer merupakan senyawa kunci dalam terapi kanker fotodinamik yang bekerja dengan cara menghancurkan sel kanker ketika diaktifkan oleh cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Kualitas dan karakteristik fotosensitizer sangat menentukan keberhasilan terapi, sehingga proses pencarian dan pengembangannya menjadi tantangan besar bagi dunia medis.

Melalui pendekatan berbasis komputasi kuantum, Xanadu berupaya menjawab keterbatasan metode konvensional yang selama ini memerlukan waktu lama, biaya tinggi, dan sumber daya besar. Jika pendekatan ini berhasil diterapkan secara luas, komputasi kuantum berpotensi menjadi alat penting dalam pengembangan terapi kanker yang lebih efektif, aman, dan tepat sasaran.

Mengapa Fotosensitizer Sulit Dikembangkan?

Fotosensitizer adalah senyawa kompleks dengan sifat elektronik yang rumit. Untuk mengetahui apakah suatu fotosensitizer efektif atau tidak, para peneliti harus memahami bagaimana molekul tersebut menyerap cahaya dan seberapa efisien ia menghasilkan spesies oksigen reaktif (Reactive Oxygen Species/ROS) yang mampu merusak sel kanker.

Masalahnya, simulasi sifat molekul fotosensitizer menggunakan komputer klasik sering kali menemui jalan buntu. Kompleksitas interaksi elektron di dalam molekul membuat perhitungan menjadi sangat berat secara komputasi. Akibatnya, banyak proses penelitian masih mengandalkan eksperimen langsung di laboratorium yang memakan waktu berbulan-bulan bahkan bertahun-tahun, dengan biaya yang tidak sedikit.

Di sinilah komputasi kuantum menawarkan pendekatan berbeda. Alih-alih mencoba menyederhanakan sistem yang kompleks, komputer kuantum justru dirancang untuk menangani kompleksitas tersebut secara alami. Xanadu memanfaatkan keunggulan ini untuk memodelkan sifat fisik fotosensitizer secara langsung pada level kuantum.
 

Peran Komputer Kuantum Tahan Gangguan

Salah satu tantangan utama dalam komputasi kuantum adalah gangguan atau kesalahan (noise) yang dapat memengaruhi hasil perhitungan. Xanadu mengatasi hal ini dengan mengembangkan fault-tolerant quantum algorithms, yaitu algoritma yang dirancang agar tetap akurat meskipun dijalankan pada sistem kuantum yang kompleks dan rentan kesalahan.

Dalam risetnya, Xanadu menunjukkan bahwa komputer kuantum tahan gangguan mampu mensimulasikan berbagai sifat penting fotosensitizer, termasuk yang sulit dihitung oleh komputer klasik. Mereka berhasil mensimulasikan empat jenis fotosensitizer yang beragam, membuktikan bahwa pendekatan ini tidak terbatas pada satu jenis molekul saja.

Hasil ini menjadi bukti awal bahwa komputasi kuantum dapat digunakan sebagai alat praktis dalam riset medis, bukan sekadar konsep teoretis.

Dua Sifat Kunci Fotosensitizer yang Disimulasikan

Penelitian Xanadu berfokus pada dua sifat utama yang sangat menentukan efektivitas fotosensitizer dalam terapi kanker fotodinamik.

1. Sensitivitas terhadap Cahaya
   Sifat ini diukur melalui cumulative absorption, yaitu kemampuan fotosensitizer menyerap cahaya pada rentang panjang gelombang tertentu yang relevan secara medis. Fotosensitizer yang baik harus mampu menyerap cahaya secara optimal pada panjang gelombang yang dapat menembus jaringan tubuh dengan cukup dalam.

   Jika daya serap cahaya rendah atau berada pada panjang gelombang yang kurang ideal, efektivitas terapi akan menurun, terutama untuk tumor yang berada jauh di bawah permukaan kulit.

2. Efisiensi Menghasilkan Spesies Oksigen Reaktif (ROS)
   Sifat kedua adalah kemampuan fotosensitizer menghasilkan ROS, yang diukur melalui laju intersystem crossing (ISC). ISC menentukan seberapa efisien energi dari cahaya yang diserap dapat diubah menjadi reaksi kimia yang merusak sel kanker.

   Fotosensitizer dengan laju ISC rendah akan menghasilkan ROS dalam jumlah terbatas, sehingga efek penghancuran sel kanker menjadi kurang maksimal. Oleh karena itu, mengoptimalkan laju ISC menjadi salah satu tujuan utama dalam pengembangan fotosensitizer baru.

Studi Kasus: Turunan BODIPY

Sebagai uji coba, Xanadu menerapkan algoritma kuantumnya pada turunan BODIPY, yaitu kelas fotosensitizer yang dikenal sangat menantang bagi metode komputasi klasik. Molekul BODIPY sering digunakan dalam riset PDT, tetapi kompleksitas struktur elektroniknya membuat simulasi klasik menjadi tidak efisien.

Melalui pendekatan kuantum, Xanadu memperkirakan bahwa simulasi sistem dengan 11 hingga 45 orbital spasial membutuhkan sekitar 180 hingga 350 qubit logis. Selain itu, kedalaman gerbang Toffoli yang dibutuhkan berada pada kisaran 10⁷ hingga 10⁹.

Angka ini menunjukkan bahwa meskipun masih membutuhkan komputer kuantum yang canggih, algoritma tersebut realistis untuk dijalankan pada perangkat kuantum masa depan yang benar-benar tahan gangguan.

Mempercepat Proses Desain dan Penyaringan Kandidat

Salah satu tujuan utama riset ini adalah menciptakan alur kerja desain fotosensitizer yang lebih efisien. Saat ini, proses evaluasi desain fotosensitizer sering kali melibatkan banyak tahap eksperimen yang mahal dan memakan waktu.

Dengan komputasi kuantum, para peneliti dapat terlebih dahulu mensimulasikan sifat fisik utama fotosensitizer secara virtual. Kandidat yang tidak memenuhi kriteria dapat dieliminasi lebih awal, sehingga eksperimen laboratorium hanya difokuskan pada molekul yang paling menjanjikan.

Pendekatan ini tidak hanya menghemat waktu dan biaya, tetapi juga memungkinkan eksplorasi desain molekul yang lebih luas dibandingkan metode konvensional.

Mengenal Terapi Kanker Fotodinamik (PDT)

Terapi kanker fotodinamik adalah metode pengobatan yang memanfaatkan fotosensitizer dan cahaya untuk menghancurkan sel kanker secara selektif. Setelah fotosensitizer diberikan kepada pasien, senyawa tersebut akan terakumulasi di jaringan tumor. Ketika disinari dengan cahaya pada panjang gelombang tertentu, fotosensitizer akan menghasilkan ROS yang merusak sel kanker dari dalam.

Keunggulan utama PDT adalah kemampuannya meminimalkan kerusakan pada jaringan sehat di sekitar tumor. Hal ini membuat PDT menjadi alternatif yang menarik dibandingkan terapi konvensional seperti kemoterapi atau radioterapi, yang sering menimbulkan efek samping berat.

Namun, PDT juga memiliki keterbatasan, terutama dalam menangani tumor yang berada jauh di dalam tubuh serta dalam mencapai efektivitas terapi yang konsisten. Kualitas fotosensitizer menjadi faktor penentu keberhasilan metode ini.

Keterbatasan Metode Konvensional dalam Terapi PDT

Terapi kanker fotodinamik memiliki keunggulan utama berupa kemampuannya menargetkan sel kanker secara selektif, sehingga kerusakan pada jaringan sehat di sekitarnya dapat diminimalkan. Namun, efektivitas PDT sangat bergantung pada kualitas fotosensitizer yang digunakan. Banyak fotosensitizer yang tersedia saat ini masih memiliki keterbatasan, terutama dalam hal daya serap cahaya dan efisiensi menghasilkan spesies oksigen reaktif.

Sebagian besar fotosensitizer menyerap cahaya pada panjang gelombang yang kurang optimal untuk menembus jaringan tubuh secara dalam. Akibatnya, terapi menjadi kurang efektif ketika tumor berada jauh di bawah permukaan kulit. Selain itu, rendahnya efisiensi intersystem crossing (ISC) menyebabkan produksi spesies oksigen reaktif (Reactive Oxygen Species/ROS) menjadi terbatas, sehingga kemampuan fotosensitizer dalam menghancurkan sel kanker juga menurun.

Untuk mengatasi masalah ini, diperlukan proses penyaringan kandidat fotosensitizer yang lebih efisien. Sayangnya, metode konvensional masih sangat bergantung pada eksperimen berulang yang memakan waktu dan sumber daya besar. Oleh karena itu, pendekatan berbasis pemodelan komputasi menjadi kebutuhan mendesak dalam pengembangan fotosensitizer modern.

Pendekatan Xanadu dalam Simulasi Fotosensitizer

Penelitian Xanadu menghadirkan solusi melalui penggunaan fault-tolerant quantum algorithm untuk mensimulasikan sifat fisik fotosensitizer. Pendekatan ini berfokus pada dua parameter utama yang menentukan performa fotosensitizer dalam PDT, yaitu penyerapan cahaya kumulatif (cumulative absorption) dan laju intersystem crossing (ISC).

Penyerapan cahaya kumulatif digunakan untuk menilai seberapa sensitif fotosensitizer terhadap cahaya pada rentang panjang gelombang terapeutik. Semakin tinggi nilai penyerapan cahaya, semakin besar peluang fotosensitizer tersebut diaktifkan secara efektif di dalam jaringan tubuh. Sementara itu, laju ISC menggambarkan seberapa efisien energi cahaya yang diserap dapat diubah menjadi reaksi kimia yang menghasilkan ROS.

Dengan memodelkan kedua sifat ini secara bersamaan, algoritma Xanadu dapat memprediksi kandidat fotosensitizer mana yang paling potensial untuk digunakan dalam terapi PDT, tanpa harus langsung melakukan eksperimen laboratorium.

Studi pada Turunan BODIPY

Sebagai pembuktian konsep, algoritma kuantum Xanadu diterapkan pada turunan BODIPY, yaitu kelas fotosensitizer yang dikenal sulit dimodelkan menggunakan komputasi klasik. Kompleksitas struktur elektronik BODIPY, terutama pada senyawa yang mengandung atom berat atau logam transisi, membuat simulasi klasik menjadi sangat tidak efisien.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa sistem dengan ruang aktif 11 hingga 45 orbital spasial dapat disimulasikan menggunakan sekitar 180 hingga 350 qubit logis. Selain itu, algoritma ini membutuhkan kedalaman gerbang Toffoli antara 10⁷ hingga 10⁹. Estimasi ini diperoleh menggunakan perangkat lunak PennyLane dan menunjukkan bahwa simulasi tersebut berada dalam jangkauan komputer kuantum tahan gangguan yang realistis di masa depan.

Temuan ini penting karena membuktikan bahwa simulasi molekul kompleks yang sebelumnya sulit dilakukan kini dapat didekati secara lebih sistematis menggunakan komputasi kuantum.

Pentingnya Laju Intersystem Crossing dalam PDT

Salah satu fokus utama penelitian Xanadu adalah estimasi laju intersystem crossing. ISC memiliki peran krusial dalam menentukan efisiensi fotosensitizer dalam menghasilkan ROS, yaitu molekul aktif yang bertanggung jawab langsung dalam menghancurkan sel kanker.

Xanadu menggunakan pendekatan evolution-proxy yang dikombinasikan dengan perlakuan dinamika vibronik untuk menghitung laju ISC secara lebih akurat. Dengan pendekatan ini, para peneliti dapat memahami bagaimana perubahan struktur molekul memengaruhi efisiensi pembentukan ROS.

Prediksi laju ISC yang akurat memungkinkan identifikasi fotosensitizer dengan sifat optimal, termasuk kemampuan bekerja pada panjang gelombang yang lebih sesuai untuk penetrasi jaringan dalam. Hal ini menjadi langkah penting untuk meningkatkan efektivitas PDT, khususnya dalam menangani tumor yang sulit dijangkau.

Estimasi Sumber Daya Komputasi Kuantum

Selain memaparkan metodologi, penelitian Xanadu juga memberikan gambaran realistis mengenai sumber daya yang dibutuhkan untuk simulasi kuantum. Sistem dengan ruang aktif 11 hingga 45 orbital spasial diperkirakan memerlukan 180–350 qubit logis dan kedalaman gerbang Toffoli antara 10⁷ hingga 10⁹.

Angka-angka ini menunjukkan bahwa meskipun teknologi komputasi kuantum masih terus berkembang, algoritma yang dikembangkan Xanadu sudah dirancang agar dapat dijalankan pada perangkat kuantum tahan gangguan di masa depan. Dengan kata lain, riset ini tidak bersifat spekulatif semata, melainkan mempertimbangkan keterbatasan teknologi yang ada secara realistis.

PennyLane dan Alur Kerja Kuantum Terpadu

Penelitian ini didukung oleh PennyLane, library perangkat lunak open-source yang dikembangkan oleh Xanadu untuk pengembangan aplikasi kuantum. PennyLane memungkinkan integrasi algoritma kuantum dengan alur kerja komputasi modern, sehingga simulasi dapat dilakukan secara lebih fleksibel dan terstruktur.

Melalui PennyLane, Xanadu mengembangkan alur kerja berbasis komputasi kuantum yang bertujuan mempercepat proses penyaringan kandidat fotosensitizer. Dengan pendekatan ini, proses eksperimen dapat difokuskan hanya pada senyawa yang telah menunjukkan potensi tinggi berdasarkan hasil simulasi kuantum.

Penelitian Xanadu menunjukkan bahwa komputasi kuantum memiliki potensi besar dalam menjawab tantangan pengembangan fotosensitizer untuk terapi kanker fotodinamik. Dengan memodelkan penyerapan cahaya kumulatif dan laju ISC secara lebih akurat, pendekatan ini menawarkan cara yang lebih efisien untuk menyaring kandidat fotosensitizer.

Meskipun penerapan klinisnya masih membutuhkan waktu, riset ini menjadi langkah penting menuju integrasi teknologi kuantum dalam dunia medis. Di masa depan, kombinasi antara komputasi kuantum dan penelitian biomedis berpotensi menghadirkan terapi kanker yang lebih efektif, aman, dan tepat sasaran.