클리블랜드 클리닉·IBM, 최대 12,635개 원자에 달하는 단백질 시뮬레이션 보고

클리블랜드 클리닉, RIKEN, IBM의 과학자들이 IBM 양자 컴퓨터와 세계에서 가장 강력한 두 대의 슈퍼컴퓨터를 사용해 최대 12,635개 원자에 달하는 단백질 복합체를 시뮬레이션했다. 이는 지금까지 양자 하드웨어로 수행된 생물학적 의미를 지닌 분자 중 가장 큰 규모의 시뮬레이션이며, 이러한 결과는 양자 컴퓨터와 클래식 컴퓨터가 협력하는 방식을 최적화하는 혁신적인 알고리즘, 즉 양자 중심 슈퍼컴퓨팅이라는 프레임워크를 통해 부분적으로 달성되었다.

이 접근법을 통해 연구팀은 불과 6개월 전 동일한 방법으로 초기에 구현 가능했던 규모보다 약 40배 더 큰 두 가지 생화학적 관련 단백질의 거동을 포착했다. 또한, 워크플로의 핵심 단계에서 시뮬레이션 정확도는 같은 기간 동안 최대 210배 향상되었다.

양자 컴퓨터가 단백질 복합체 시뮬레이션에서 가치를 제공할 수 있을지 탐구하려는 결정은 현재 연구자들이 약물 후보물질이 단백질에 결합하는 방식을 연구할 때 직면하는 어려움에서 비롯되었다. 이는 생명과학 연구에서 가장 어렵고 비용이 많이 드는 문제 중 하나이며, 기존의 컴퓨팅 방법으로는 분자 크기가 커짐에 따라 정확하게 해결하는 데 어려움을 겪어온 문제이다.

이번 연구에서 클래식 컴퓨터는 단백질-리간드 복합체를 계산 가능한 조각으로 분해했다. 미국 클리블랜드 클리닉과 일본 RIKEN에 위치한 IBM 양자 컴퓨터 내에서 구동된 IBM의 156큐비트 IBM Quantum Heron 프로세서는 RIKEN의 Fugaku 및 도쿄대학교와 쓰쿠바대학교가 운영하는 Miyabi-G와 함께 해당 조각들의 양자역학적 거동을 계산했다. 연산에는 시뮬레이션의 특정 부분에서 최대 94큐비트와 약 6,000개의 양자 연산이 필요했으며, 결과는 클래식 컴퓨터에서 재조립되어 분자의 완전한 표현을 얻었다.

arXiv에 게재된 바에 따르면, 규모의 도약은 알고리즘 혁신과 최첨단 컴퓨팅 인프라에 대한 접근 덕분에 가능했다. EWF-TrimSQD라고 명명된 새로운 양자-클래식 하이브리드 알고리즘은 계산 오버헤드를 획기적으로 줄였으며, 양자 하드웨어에서 이러한 분자 시스템의 화학을 직접 표현하는 능력을 가속화했다.

이 획기적인 연구는 20개의 아미노산으로 구성된 최초의 완전한 양자 중심 시뮬레이션으로 알려진 Trp-cage라는 303개 원자 벤치마크 분자를 모델링한 이전 연구를 기반으로 한다. 해당 초기 시연에서 클리블랜드 클리닉-IBM 공동 연구팀은 양자 중심 슈퍼컴퓨팅 워크플로와 IBM Quantum Heron r2를 사용해 303개 원자 미니단백질 Trp-cage를 모델링했다. 연구자들은 펼쳐진 상태와 접힌 상태를 모두 모델링했다.

Trp-cage 워크플로는 파동 함수 기반 임베딩을 사용해 분자를 계산적으로 처리 가능한 조각, 즉 클러스터로 분할했다. 모든 단백질에서 일부 클러스터는 클래식 컴퓨팅 방법을 사용해 효율적으로 해결할 수 있는 반면, 분자 코어에 가까운 더 큰 클러스터는 양자 컴퓨터가 해결하기 적합한 문제이다. 개별 클러스터 계산 결과를 다시 결합하면 분자의 전자 구조(전자의 위치와 상호작용 방식을 설명)에 대한 완전한 해답이 도출된다.