Un système hybride quantique–supercalculateur réalise le premier flux de travail complet de simulation biomoléculaire

Un flux de travail scientifique complet a été exécuté pour la première fois entre Fugaku, l’un des supercalculateurs les plus puissants au monde, et Reimei, un ordinateur quantique à ions piégés, marquant le passage du développement d’infrastructure à un déploiement pratique. Le système a exploré des réactions chimiques qui se produisent au sein de biomolécules telles que les protéines, des réactions présentes dans toute la biologie, des fonctions enzymatiques aux interactions médicamenteuses.

Quantinuum a installé son ordinateur quantique Reimei dans une installation au Japon exploitée par RIKEN, le plus grand organisme national de recherche pluridisciplinaire. Le système a été intégré au supercalculateur Fugaku dans le cadre d’un projet national mandaté par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), l’entité nationale de recherche et développement placée sous l’égide du ministère de l’Économie, du Commerce et de l’Industrie.

L’équipe a étendu les approches en couches de la chimie computationnelle à l’ère du calcul hybride en combinant supercalcul classique et calcul quantique. Le supercalculateur Fugaku a pris en charge l’optimisation de la géométrie et les calculs de structure électronique de base. L’ordinateur quantique Reimei a été utilisé pour améliorer le traitement des interactions électroniques les plus difficiles au niveau du site actif, celles dont on sait qu’elles mettent en échec les méthodes approximatives conventionnelles. L’ensemble du processus a été coordonné via le système de flux de travail Tierkreis de Quantinuum, qui permet aux tâches de passer efficacement d’une machine à l’autre.

Simuler avec précision des réactions biomoléculaires est extrêmement difficile. La région où se produit la réaction chimique — le « site actif » — requiert une très grande précision, car des effets électroniques subtils en déterminent l’issue. Dans le même temps, ce site actif est enchâssé dans un environnement moléculaire beaucoup plus vaste qui doit également être représenté, bien qu’en général à un niveau de détail inférieur.

Les chercheurs ont conçu l’algorithme pour exploiter spécifiquement les points forts à la fois du matériel quantique et du matériel classique. D’abord, l’ordinateur classique construit une description approximative du système moléculaire. Ensuite, l’ordinateur quantique est utilisé pour modéliser la mécanique quantique détaillée que l’ordinateur classique ne peut pas traiter. Ensemble, cela améliore la précision, prolongeant l’utilité du système classique.

Bien que l’étude actuelle utilise des systèmes simplifiés afin de se concentrer sur la méthodologie, elle jette les bases de futures applications en drug design, enzyme engineering et photoactive biological systems. La simulation précise des réactions biomoléculaires demeure l’un des défis majeurs de la biochimie.

À court terme, les gains les plus plausibles de la technologie quantique en biomédecine proviennent de la chimie computationnelle hybride quantique-classique appliquée à la découverte de médicaments, en particulier le de novo design et la lead optimization, qui peuvent être rigoureusement évalués par rapport à des références classiques. La chimie quantique permet aux chercheurs d’explorer des voies de réaction moléculaires et des comportements de liaison qui sont hors de portée des méthodes classiques, y compris des hypothèses concernant les maladies neurodégénératives et la barrière hémato-encéphalique.

Alors que les ordinateurs quantiques pleinement tolérants aux fautes et à grande échelle sont encore en développement, les approches hybrides permettent au matériel quantique actuel de renforcer des systèmes classiques puissants afin d’explorer des applications significatives. À mesure que la technologie quantique mûrit, les mêmes flux de travail pourront évoluer en conséquence.

Les centres de calcul haute performance du monde entier explorent activement la manière dont des dispositifs quantiques pourraient s’intégrer à leurs écosystèmes. En démontrant une planification coordonnée des tâches, un accès direct au matériel et l’orchestration de flux de travail sur des architectures hétérogènes, ce travail fournit un exemple concret de la façon dont une telle intégration peut être réalisée. Pour l’écosystème de recherche japonais, ce premier jalon applicatif indique que le calcul hybride quantique–supercalcul passe de l’ambition à la mise en œuvre.