日本は、ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)と量子技術の両分野において、大胆かつ戦略的な投資を行ってきました。これらの技術が成熟するにつれ、政策立案者や研究リーダーの間では、「高度なマシンを構築する段階から、有意義で統合された活用事例を実証する段階へどう移行するか」という重要な問いが浮上しています。
昨年、Quantinuumは量子コンピュータ「Reimei」を、日本最大級の総合研究機関である理化学研究所の施設に設置しました。このシステムは、経済産業省所管の国立研究開発法人である新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)が委託する野心的な国家プロジェクトの一環として、世界最高峰の性能を誇るスーパーコンピュータ「富岳」と統合されました。
今回、世界屈指のスーパーコンピュータ「富岳」と、当社のトラップイオン量子コンピュータ「Reimei」を跨いだ完全な科学的ワークフローの実行に初めて成功しました。これは、インフラ開発の段階から実用的な展開の段階へと移行したことを意味します。
量子生物学
HPCと量子コンピューティングを組み合わせたこの初の試みにおいて、研究チームはタンパク質などの生体分子内で起こる化学反応を調査しました。こうした反応は、酵素の機能から薬物相互作用に至るまで、生物学のあらゆる場面で見られます。
このような反応を正確にシミュレーションすることは極めて困難です。化学反応が起こる領域である「活性中心」では、わずかな電子的な影響が結果を左右するため、非常に高い精度が求められます。同時に、この活性中心はより大きな分子環境の中に埋め込まれており、その環境も(通常はより低い詳細度で)表現する必要があります。
この複雑な課題に対処するため、計算化学では長年、システムの各部分を異なる手法で処理する階層的なアプローチがとられてきました。今回の研究では、古典的な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、この概念をハイブリッドコンピューティングの時代へと拡張しました。
パラダイムの転換
量子コンピューティングの長期的な目標は古典的な手法を単独で凌駕することですが、本プロジェクトの目的は、実際の科学的アプリケーションに向けたエンドツーエンドのプラットフォームとして、完全に機能するハイブリッドシステムを実証することにありました。ハードウェアを単独で開発するだけでは不十分であり、古典リソースと量子リソースが組み合わさることで、個々の総和以上の価値を生み出すワークフローを構築しなければなりません。私たちは、これが業界にとって極めて重要な一歩であると考えています。量子コンピューティングへの大規模な国家投資は、最終的にその技術を既存の研究インフラにどのように組み込めるかを示す必要があります。
今回の研究では、スーパーコンピュータ「富岳」が幾何構造の最適化とベースラインとなる電子状態計算を担当しました。量子コンピュータ「Reimei」は、従来の近似手法では困難とされる活性中心の最も複雑な電子相互作用の処理を強化するために使用されました。プロセス全体は、Quantinuumのワークフローシステムである Tierkreisによって調整され、マシン間で効率的にジョブを移動させることが可能となりました。
ハイブリッドコンピューティングは今、実用段階へ
このインフラが整ったことで、私たちは量子コンピューティングの真の力を活用する準備が整いました。今回の事例では、量子ハードウェアと古典ハードウェア双方の強みを最大限に引き出すようアルゴリズムが設計されています。
まず、古典コンピュータが分子システムの近似的な記述を構築します。次に、古典コンピュータでは扱いきれない詳細な量子力学のモデリングに量子コンピュータを使用します。これらを組み合わせることで精度が向上し、古典システムの有用性が拡張されます。
ハイブリッド・アドバンテージへの道筋
生体分子反応の正確なシミュレーションは、生化学における主要な課題の一つです。本研究では手法に焦点を当てるため簡略化されたシステムを用いていますが、これは創薬、酵素工学、光活性生物システムといった将来の応用分野に向けた基盤となるものです。
完全な耐故障性を備えた大規模量子コンピュータの開発は現在も進行中ですが、ハイブリッドアプローチを用いることで、今日の量子ハードウェアを「富岳」のような強力な古典システムと組み合わせ、有意義な応用を探求することが可能になっています。量子技術の成熟に伴い、これらのワークフローも同様に拡張していくことが可能です。
世界中のハイパフォーマンスコンピューティングセンターでは、量子デバイスを自社のエコシステムにどのように統合できるか、活発な検討が行われています。本研究は、異種アーキテクチャ間での調整された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、ワークフローのオーケストレーションを実証することで、そのような統合を実現するための具体的な例を提示します。
量子ハードウェアの成熟に伴い、ここで開発されたアルゴリズムやワークフローは、より現実的で産業に関連性の高い問題へと拡張できると考えています。日本の研究エコシステムにとって、この最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「野心」から「実装」の段階へと移行していることを示しています。






