IBMと理研、量子支援型スーパーコンピュータにおける画期的成果を発表

オリジナル記事「IBM and RIKEN Hail Breakthrough in Quantum-Assisted Supercomputing」

IBMと理研は本日、量子コンピュータを用いて12,635個の原子からなるタンパク質のシミュレーションに成功したと発表した。これは量子システムを用いてシミュレーションされたタンパク質としては過去最大規模となる。この成果は、わずか6ヶ月間でシミュレーション規模が40倍に拡大したことを示しており、研究者らは、これが生命科学をはじめとする分野におけるさらなるブレークスルーへの現実的な道筋として、量子中心のスーパーコンピュータシミュレーションの到来を告げるものだと述べている。

2025年末、IBM、理研、クリーブランド・クリニックの科学者による共同研究は、303原子のタンパク質のシミュレーションに成功し、これは大きな飛躍であった。しかし、IBMリサーチの量子中心型スーパーコンピュータ担当CTOでありIBMフェローでもあるジェリー・チョウ氏によると、わずか6ヶ月でチームはシミュレーション規模を40倍に拡大すると同時に、精度も200倍以上向上させることに成功した。

「我々のアプローチは、量子中心型スーパーコンピュータが科学や学術分野、特に生物学や化学などの領域において、有用なツールへと拡大しつつあることを示している」とチョウ氏は述べた。「これはあくまで始まりに過ぎないと我々は考えている。」

	クリーブランド・クリニックにあるIBMのHeronベースの量子コンピュータ（画像提供：IBM）

研究者らは、量子コンピュータと従来のスーパーコンピュータの両方を活用する新技術を適用することに成功した。量子側では、米国クリーブランド・クリニックと日本の理研のコンピュータ上で動作する、IBMの超伝導型156キュービット「Quantum Heron」プロセッサが使用され、一方、古典側では、理研の「富岳（Fugaku）」と、東京大学および筑波大学が運用する「Miyabi-G」という2台のリーダーシップクラススーパーコンピュータが使用された。

スーパーコンピュータは、タンパク質-リガンド複合体を計算可能な断片に分解するために使用され、量子システムはそれらの断片の量子力学的挙動を計算するために使用された。本プロジェクトにおける重要なブレークスルーは、「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であり、これにより「計算オーバーヘッドが劇的に削減され、量子ハードウェア上でこれらの分子系の化学的挙動を直接表現する能力が加速された」と、両社はプレスリリースで述べている。

このシミュレーションではIBM Quantum Heronのプロセッサに負荷がかかり、シミュレーションの特定の部分では、156個ある量子ビットのうち94個を使用して約6,000回の量子シミュレーションを実行する必要があった。両社によると、量子シミュレーションの結果はその後、古典コンピュータ上で再構築され、分子の完全な表現が得られたという。

クリーブランド・クリニックの計算生命科学部門に所属するスタッフサイエンティストであり、本研究の主任研究者であるケネス・メルツ氏は、創薬における量子コンピューティングの利用をめぐる過熱した期待だけでなく、量子研究者が通常、数個の原子を超える規模の課題に取り組む際に直面する厳しい現実についても熟知していた。

「創薬については以前から話題になっていた」と、メルツ氏はチョウ氏とのブリーフィングで語った。「そして私は少し苛立っていた。この分野に携わってきた者として、タンパク質のような巨大な分子を扱う必要があるからだ。」

タンパク質複合体のシミュレーションは、創薬候補物質がタンパク質とどのように結合するかを理解する上で重要であり、創薬における極めて重要な要素となっている。しかし、タンパク質シミュレーションはライフサイエンス分野において解決が最も困難かつコストのかかる課題の一つでもあり、既存の計算手法にとって長年の課題となってきた。

IBM、理研、クリーブランド・クリニックの研究者らは、タンパク質シミュレーションの規模を拡大した（画像提供：IBM）

メルツ氏と共同研究者たちは、まず単純なものから始めることにした。それは10個の原子からなる分子であるメタン二量体だ。彼らは当初、変分量子固有値ソルバー（VQE）などの従来のアルゴリズムを用いてこの分子をモデル化していた。しかしその後、IBMの新しい部分空間量子対角化（QCD）アルゴリズムを試してみることにした。

彼らはまず、6つの炭素原子と6つの水素原子からなる環状分子であるベンゼンという単純な分子から始めた。うまくいったため、彼らはもう少し複雑な分子、すなわち6つの炭素と12つの水素を持つシクロヘキサンに挑戦した。

「見事にうまくいった」とメルツ氏は語った。「その後、内部でいくつかのテストを行ったところ、『おや、これならもう少し大きなものにも挑戦できるかもしれない』と思ったんだ。Trp-cageは生物物理学界では非常に有名なタンパク質だ。既知のタンパク質の中で、折りたたまれるものとしては最小級の部類に入る。」

2025年後半、303個の原子からなるTrp-cageのシミュレーションが順調に進んだため、2026年初頭には、11,608個の原子からなるタンパク質であるT4-リゾチームへと規模を拡大することを決めた。そのモデリングが成功した後、彼らは12,635個の原子からなる酵素トリプシンに取り組み、これもまた成功した。

「要するに、我々は1万3000原子近くにも及ぶこのシステム全体の総エネルギーを計算できるようになったのだ」とメルツ氏は述べた。「私にとってこれは本当にエキサイティングなことだ。なぜなら、これで医療やライフサイエンスに関連するタンパク質を本格的に研究できるようになったからだ。」

しかし、このアプローチはライフサイエンスや医療分野に限ったものではない。スーパーコンピュータを使って大規模な作業を構成要素に分割し、それらの小さな部分を量子システム上で実行し、完成したセグメントをスーパーコンピュータで再構築するというこの基本的な手法は、あらゆる種類の問題の解決に応用できる。

「まさに今、量子コンピュータとアルゴリズムが互いに手を取り合って成熟しつつある段階だ」とチョウ氏は述べた。「量子中心のスーパーコンピュータは今後、科学、生物学、化学、ライフサイエンス、材料科学、そしてそれ以外にも実に多くの分野における根本的な問題を解決する能力を、ますます高めていくことになるだろう。」