Sistema híbrido cuántico–supercomputador completa el primer flujo de trabajo de simulación biomolecular
Un ordenador cuántico integrado con el supercomputador japonés Fugaku ha ejecutado por primera vez un flujo de trabajo científico completo para simular reacciones químicas en biomoléculas. El hito marca el paso del desarrollo de infraestructura a un despliegue práctico con potencial en el descubrimiento y diseño de fármacos.
Un flujo de trabajo científico completo se ha ejecutado por primera vez entre Fugaku, uno de los supercomputadores más potentes del mundo, y Reimei, un ordenador cuántico de iones atrapados, lo que marca una transición desde el desarrollo de infraestructura hacia el despliegue práctico. El sistema exploró reacciones químicas que ocurren dentro de biomoléculas como las proteínas, reacciones presentes en toda la biología, desde las funciones enzimáticas hasta las interacciones fármaco–diana.
Quantinuum instaló su ordenador cuántico Reimei en una instalación en Japón operada por RIKEN, la mayor institución de investigación integral del país. El sistema se integró con el supercomputador Fugaku como parte de un proyecto nacional encargado por la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), la entidad nacional de investigación y desarrollo dependiente del Ministerio de Economía, Comercio e Industria.
El equipo llevó los enfoques por capas de la química computacional a la era de la computación híbrida al combinar supercomputación clásica con computación cuántica. El supercomputador Fugaku se encargó de la optimización geométrica y de los cálculos base de estructura electrónica. El ordenador cuántico Reimei se utilizó para mejorar el tratamiento de las interacciones electrónicas más difíciles en el sitio activo, aquellas que se sabe que desafían a los métodos aproximados convencionales. Todo el proceso se coordinó mediante el sistema de flujo de trabajo Tierkreis de Quantinuum, que permite que las tareas se desplacen de forma eficiente entre máquinas.
Simular con precisión las reacciones biomoleculares es extremadamente difícil. La región donde ocurre la reacción química —el "sitio activo"— requiere una precisión muy alta, porque efectos electrónicos sutiles determinan el resultado. Al mismo tiempo, este sitio activo está incrustado en un entorno molecular mucho más amplio que también debe representarse, aunque por lo general con un nivel de detalle menor.
Los investigadores diseñaron el algoritmo para explotar específicamente las fortalezas tanto del hardware cuántico como del clásico. En primer lugar, el ordenador clásico construye una descripción aproximada del sistema molecular. Luego, el ordenador cuántico se utiliza para modelar la mecánica cuántica detallada que el ordenador clásico no puede manejar. En conjunto, esto mejora la precisión, ampliando la utilidad del sistema clásico.
Aunque el presente estudio utiliza sistemas simplificados para centrarse en la metodología, sienta las bases para futuras aplicaciones en diseño de fármacos, ingeniería enzimática y sistemas biológicos fotoactivos. La simulación precisa de reacciones biomoleculares sigue siendo uno de los principales desafíos en bioquímica.
A corto plazo, las ganancias más plausibles de la tecnología cuántica en biomedicina provienen de la química computacional híbrida cuántico–clásica para el descubrimiento de fármacos, en concreto el diseño de novo y la optimización de candidatos (lead optimization) que pueden compararse rigurosamente con bases de referencia clásicas. La química cuántica permite a los investigadores explorar vías de reacción molecular y comportamientos de unión que son intratables de forma clásica, incluidas hipótesis relacionadas con enfermedades neurodegenerativas y la barrera hematoencefálica.
Aunque los ordenadores cuánticos plenamente tolerantes a fallos y a gran escala aún están en desarrollo, los enfoques híbridos permiten que el hardware cuántico actual potencie sistemas clásicos potentes para explorar aplicaciones con significado. A medida que la tecnología cuántica madure, los mismos flujos de trabajo podrán escalar en consecuencia.
Los centros de computación de alto rendimiento de todo el mundo están explorando activamente cómo podrían integrarse los dispositivos cuánticos en sus ecosistemas. Al demostrar una planificación coordinada de tareas, acceso directo al hardware y la orquestación de flujos de trabajo a través de arquitecturas heterogéneas, este trabajo ofrece un ejemplo concreto de cómo puede lograrse dicha integración. Para el ecosistema de investigación de Japón, este primer hito de aplicación indica que la supercomputación híbrida cuántico–clásica está pasando de la ambición a la implementación.