Cleveland ClinicとIBM、最大12,635原子に及ぶタンパク質シミュレーションを報告
Cleveland Clinic、RIKEN、IBMは、量子コンピューターと古典コンピューターを組み合わせ、最大12,635原子に及ぶタンパク質複合体のシミュレーションを実施した。今回の成果は、先行する303原子のTrp-cageシミュレーションを発展させたものであり、量子中心型スーパーコンピューティングの進展を示している。
Scientists at Cleveland Clinic, RIKEN, and IBM have used IBM quantum computers and two of the world’s most powerful supercomputers to simulate protein complexes spanning up to 12,635 atoms. These are the largest-known simulations of biologically meaningful molecules performed with quantum hardware yet, and the results were achieved in part by an innovative algorithm that optimizes how quantum and classical computers can work together, a framework known as quantum-centric supercomputing.
このアプローチを用いて、研究チームは、わずか6カ月前にはこの同じ手法で到達できた規模の約40倍に当たる、2つの生化学的に重要なタンパク質の挙動を捉えた。さらに、ワークフローの重要な1段階におけるシミュレーション精度は、同じ期間に最大210倍向上した。
タンパク質複合体のシミュレーションにおいて量子コンピューターが価値を提供できるかどうかを探る判断の背景には、創薬候補がタンパク質にどのように結合し得るかを研究する際に、現在の研究者が直面している課題があった。これはライフサイエンス研究において最も困難で費用のかかる問題の1つになり得るものであり、分子のサイズが大きくなるにつれて、現在存在する計算手法では正確に解くことが難しかった。
今回の研究では、古典コンピューターがタンパク質-リガンド複合体を計算可能な断片へと分解した。米国のCleveland Clinicと日本のRIKENに設置されたIBM量子コンピューター内で稼働するIBMの156量子ビットIBM Quantum Heronプロセッサーが、RIKENのFugakuおよび東京大学と筑波大学が運用するMiyabi-Gと連携し、それらの断片の量子力学的挙動を計算した。この計算では、シミュレーションの特定部分で最大94量子ビットを用い、約6,000回の量子演算を実行し、その結果を古典コンピューター上で再構成して、分子の完全な表現を得た。
arXivに掲載されたとおり、このスケールの飛躍は、アルゴリズム面の革新と最先端の計算インフラへのアクセスの両方によって可能になった。EWF-TrimSQDと名付けられた新しい量子・古典ハイブリッドアルゴリズムは、計算オーバーヘッドを大幅に削減し、これらの分子系の化学を量子ハードウェア上で直接表現する能力を加速させた。
この画期的研究は、Trp-cageと呼ばれる303原子のベンチマーク分子をモデル化した先行研究を土台としている。これは、20個のアミノ酸から成る、完全な量子中心型シミュレーションとして初めて知られるものである。その先行実証では、Cleveland ClinicとIBMの共同研究チームが、量子中心型スーパーコンピューティングのワークフローとIBM Quantum Heron r2を用いて、303原子のミニタンパク質Trp-cageをモデル化した。研究者らは、そのアンフォールド状態とフォールド状態の両方をモデル化した。
Trp-cageのワークフローは、波動関数ベースの埋め込みを利用して、分子をクラスターと呼ばれる計算上扱いやすい断片へと分割した。任意のタンパク質において、一部のクラスターは古典的計算手法で効率的に解くことができる一方、分子コアに近いより大きなクラスターは、量子コンピューターが解くのに適した問題となる。個々のクラスター計算の結果をつなぎ合わせることで、分子の電子構造、すなわち電子がどこに存在し、どのように相互作用するかを記述する完全な解が得られる。