Hybrides Quanten‑Supercomputer-System vollzieht ersten biomolekularen Simulations‑Workflow
Ein mit Japans Fugaku-Supercomputer integrierter Quantencomputer hat erstmals einen vollständigen wissenschaftlichen Workflow zur Simulation chemischer Reaktionen in Biomolekülen ausgeführt. Das demonstriert die praktische Einsatzreife hybrider Quanten‑HPC-Architekturen für Anwendungen in der Wirkstoffforschung und darüber hinaus.
Ein vollständiger wissenschaftlicher Workflow wurde erstmals über Fugaku, einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, und Reimei, einen Ionenfallen-Quantencomputer, ausgeführt und markiert damit den Übergang von der Entwicklung der Infrastruktur zur praktischen Anwendung. Das System untersuchte chemische Reaktionen, die innerhalb von Biomolekülen wie Proteinen ablaufen – Reaktionen, die in der gesamten Biologie vorkommen, von Enzymfunktionen bis zu Arzneimittelinteraktionen.
Quantinuum installierte seinen Reimei-Quantencomputer in einer Einrichtung in Japan, die von RIKEN, der größten umfassenden Forschungseinrichtung des Landes, betrieben wird. Das System wurde im Rahmen eines nationalen Projekts, das von der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), der nationalen Forschungs- und Entwicklungsorganisation unter dem Ministry of Economy, Trade and Industry, beauftragt wurde, mit dem Supercomputer Fugaku integriert.
Das Team überführte die geschichteten Ansätze der computergestützten Chemie in die Ära des hybriden Rechnens, indem es klassisches Supercomputing mit Quantencomputing kombinierte. Der Supercomputer Fugaku übernahm die Geometrieoptimierung und grundlegende Rechnungen zur elektronischen Struktur. Der Quantencomputer Reimei wurde eingesetzt, um die Behandlung der schwierigsten elektronischen Wechselwirkungen im aktiven Zentrum zu verbessern – jener, von denen bekannt ist, dass sie konventionelle Näherungsmethoden herausfordern. Der gesamte Prozess wurde über Quantinuums Workflow-System Tierkreis koordiniert, das es ermöglicht, Jobs effizient zwischen den Maschinen zu verschieben.
Die genaue Simulation biomolekularer Reaktionen ist äußerst anspruchsvoll. Die Region, in der die chemische Reaktion stattfindet – das „aktive Zentrum“ –, erfordert sehr hohe Präzision, da subtile elektronische Effekte das Ergebnis bestimmen. Gleichzeitig ist dieses aktive Zentrum in eine wesentlich größere molekulare Umgebung eingebettet, die ebenfalls abgebildet werden muss, wenn auch typischerweise mit einem geringeren Detaillierungsgrad.
Die Forschenden entwarfen den Algorithmus so, dass er gezielt die Stärken sowohl der Quanten- als auch der klassischen Hardware ausnutzt. Zunächst erstellt der klassische Computer eine approximative Beschreibung des molekularen Systems. Anschließend wird der Quantencomputer verwendet, um die detaillierte Quantenmechanik zu modellieren, die der klassische Computer nicht bewältigen kann. Zusammen verbessert dies die Genauigkeit und erweitert die Nutzbarkeit des klassischen Systems.
Obwohl die vorliegende Studie vereinfachte Systeme verwendet, um den Fokus auf die Methodik zu legen, schafft sie die Grundlage für künftige Anwendungen in Wirkstoffdesign, Enzym-Engineering und photoaktiven biologischen Systemen. Die präzise Simulation biomolekularer Reaktionen bleibt eine der großen Herausforderungen der Biochemie.
Kurzfristig dürften die plausibelsten Zugewinne durch Quantentechnologie in der Biomedizin aus der hybriden quanten‑klassischen computergestützten Chemie für die Wirkstoffforschung stammen – insbesondere aus de novo design und lead optimization, die sich streng gegen klassische Baselines benchmarken lassen. Die Quantenchemie ermöglicht es Forschenden, molekulare Reaktionspfade und Bindungsverhalten zu untersuchen, die klassisch nicht beherrschbar sind, einschließlich Hypothesen zu neurodegenerativen Erkrankungen und zur Blut-Hirn-Schranke.
Während vollständig fehlertolerante (fault-tolerant) Quantencomputer im großen Maßstab noch in Entwicklung sind, erlauben hybride Ansätze, dass heutige Quantenhardware leistungsfähige klassische Systeme ergänzt, um sinnvolle Anwendungen zu erkunden. Mit der Reifung der Quantentechnologie können dieselben Workflows entsprechend skaliert werden.
Hochleistungsrechenzentren weltweit untersuchen aktiv, wie sich Quantengeräte in ihre Ökosysteme integrieren lassen könnten. Indem diese Arbeit koordiniertes Job‑Scheduling, direkten Hardwarezugriff und Workflow‑Orchestrierung über heterogene Architekturen hinweg demonstriert, liefert sie ein konkretes Beispiel dafür, wie eine solche Integration erreicht werden kann. Für Japans Forschungsökosystem signalisiert dieser erste Anwendungsmeilenstein, dass hybrides Quanten‑Supercomputing sich von der Ambition zur Umsetzung bewegt.