量子・スーパーコンピュータ融合システム、バイオ分子反応の初の一連シミュレーション・ワークフローを完遂

世界最強級のスーパーコンピュータの1つであるFugakuと、トラップトイオン型量子コンピュータであるReimeiにまたがる形で、完全な科学的ワークフローが初めて実行され、インフラ構築から実運用への移行を示した。同システムは、タンパク質などのバイオ分子内で起こる化学反応を探索し、酵素機能から薬物相互作用まで生物学全体に見られる反応を対象とした。

Quantinuumは、日本最大の総合研究機関であるRIKENが運営する日本国内の施設に、Reimei量子コンピュータを設置した。同システムは、経済産業省所管の国立研究開発機関であるNew Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO)が委託する国家プロジェクトの一環として、スーパーコンピュータFugakuと統合された。

研究チームは、古典スーパーコンピューティングと量子コンピューティングを組み合わせることで、計算化学の階層的アプローチをハイブリッド計算の時代へ拡張した。スーパーコンピュータFugakuは、幾何最適化と基礎的な電子構造計算を担った。量子コンピュータReimeiは、従来の近似手法では扱いが難しいことが知られる活性部位における最も困難な電子相互作用の取り扱いを高度化するために用いられた。全プロセスは、ジョブを機器間で効率的に移送できるQuantinuumのワークフロー・システムTierkreisを通じて調整された。

バイオ分子反応を高精度にシミュレーションすることは極めて難しい。化学反応が起こる領域である「活性部位」は、微妙な電子効果が結果を左右するため、非常に高い精度を要する。同時に、この活性部位ははるかに大きな分子環境の中に埋め込まれており、その環境も表現する必要があるが、通常はより低い詳細度で扱われる。

研究者らは、量子ハードウェアと古典ハードウェア双方の強みを特に活用できるようアルゴリズムを設計した。まず古典計算機が分子系の近似的な記述を構築する。次に量子コンピュータを用いて、古典計算機では扱えない詳細な量子力学をモデル化する。これらを組み合わせることで精度が向上し、古典系の有用性が拡張される。

本研究は手法に焦点を当てるため簡略化した系を用いているものの、将来的なdrug design、enzyme engineering、photoactive biological systemsへの応用に向けた基盤を築く。バイオ分子反応の高精度シミュレーションは、生化学における主要課題の1つであり続けている。

短期的には、バイオメディシンにおける量子技術の最も現実的な成果は、創薬に向けたハイブリッド量子―古典の計算化学、特に古典的ベースラインに対して厳密にベンチマーク可能なde novo designおよびlead optimizationに由来すると考えられる。量子化学により研究者は、神経変性疾患や血液脳関門に関する仮説を含め、古典計算では扱いきれない分子反応経路や結合挙動を探索できる。

完全なフォールトトレラント（fault-tolerant）な大規模量子コンピュータは依然として開発途上である一方、ハイブリッド手法は、今日の量子ハードウェアが強力な古典システムを補完し、有意義な応用を探ることを可能にする。量子技術が成熟するにつれ、同一のワークフローはそれに応じてスケール可能である。

世界中の高性能計算センターは、量子デバイスを自らのエコシステムにどのように統合し得るかを積極的に模索している。協調的なジョブスケジューリング、ハードウェアへの直接アクセス、異種アーキテクチャにまたがるワークフローのオーケストレーションを実証した本研究は、そのような統合がどのように実現できるかを示す具体例を提示する。日本の研究エコシステムにとって、この初の応用マイルストーンは、ハイブリッド量子―スーパーコンピューティングが構想から実装へ移行しつつあることを示している。