クリーブランド・クリニック、理化学研究所、[IBM](https://www.ibm.com/)の共同チームが、12,635個の原子からなるタンパク質-リガンド複合体のシミュレーションに成功し、量子中心スーパーコンピューティングにおける重要なマイルストーンを達成した。液体水溶液中のT4-リゾチームとトリプシンというタンパク質をモデル化したこのシミュレーションは、量子ハードウェア上で実行された生物学的に意味のある分子シミュレーションとしては、これまでで最大規模のものである。この成果は、わずか6か月前に行われた同様のベンチマークと比較して、システムサイズが40倍に増加し、精度が210倍向上したことを示しており、量子コンピュータが生命科学における実用的な科学ツールへと成熟しつつあることを示している。
この技術的ブレークスルーは、EWF-TrimSQD(埋め込み波動関数 - トリミングサンプルベース量子対角化)と呼ばれる新しいハイブリッドアルゴリズムによってもたらされた。この枠組みは「量子中心スーパーコンピューティング」を利用し、古典コンピュータが巨大なタンパク質-リガンド複合体を、より小さく計算可能な「断片」に分解する。最も複雑で、もつれ合ったクラスターは、その後IBM Quantum Heronプロセッサに送られる。本研究では、最大94個の量子ビットが、断片の電子構造を計算するために1回のシミュレーションあたり約6,000回の量子演算を実行した。これらの結果は、その後古典スーパーコンピュータ―具体的には理化学研究所の「富岳」と東京大学の「雅-G」―によって再構成され、分子の完全な表現が提供された。
以前の303原子の「Trp-cage」ベンチマークから12,000原子以上への移行は、古典的な「断片バス」選択の最適化によって可能になった。研究者らは線形スケーリング法を実装し、量子力学的計算を特定の原子の周囲7~10オングストロームの局所球に制限した。これは電子のもつれが通常、より大きな距離では減少するためである。この改良により、古典的なオーバーヘッドが指数関数的にスケーリングすることが防がれ、ヒトの消化に不可欠なタンパク質であるトリプシンのシミュレーションが計算可能になった。チームは100時間以上の実行にわたって13億の測定結果を収集し、これはこれまでに報告された量子化学タスクの中で最もリソース集約的なものとなった。
この研究は、創薬における基本的なボトルネックに対処している。それは、薬剤候補が標的タンパク質にどのように結合するかを正確に予測することである。既存の古典的計算手法は、分子のサイズが大きくなるにつれてこれらの相互作用の複雑さに苦戦し、しばしば10年に及ぶ開発期間や臨床試験での高い失敗率につながっている。原子の動きをモデル化し、正確な分子エネルギーを計算するためのスケーラブルな枠組みを提供することで、量子中心スーパーコンピューティングは、医薬品開発サイクルを大幅に短縮する道を提供する。孤立状態ではなく、現実的な水溶液中でタンパク質をモデル化できることは、実際の創薬のための仮想モデルの科学的関連性をさらに高めている。
今後の展望として、研究者らはこれらの手法が、現在は徹底的な物理実験を必要とする複雑な酵素触媒や薬剤メカニズムのシミュレーションへと進化していくことを想定している。クリーブランド・クリニックの主任研究者であるケネス・マーツ博士は、現在の軌跡から、量子コンピューティングが化学的精度において純粋に古典的な最良のアプローチを近いうちに超える可能性があると指摘している。ハードウェアが進歩し続け―2029年にリリースが予定されている耐障害性IBM Quantum Starlingを含む―量子プロセッサがグローバルなスーパーコンピューティングネットワークに統合されることで、計算生物学と材料科学の境界が再定義されることが期待されている。
IBMの公式プレスリリース、IBM Research Blogの技術要約、クリーブランド・クリニックの機関的見解、arXivのプレプリント研究を参照できます。
2026年5月5日
