QC Ware、IBM「Heron」実機で初の量子化学計算　商用「Promethium」と連携実証

量子ソフトウェア企業のQC Wareは、自社の商用分子シミュレーションプラットフォーム「Promethium」とIBMの量子プロセッサ「Heron」を連携させたハイブリッド計算のデモンストレーションを発表した。商用グレードの分子シミュレーションプラットフォームが、稼働中の量子ハードウェア上で計算を実行したことを公に文書化した初の事例だという。現時点では実証段階であり、製品機能としては未実装だが、将来の創薬パイプラインに量子コンピューティングを組み込む道筋を示すものとして注目される。

■商用プラットフォームによる初の実証

米パロアルトに拠点を置く量子ソフトウェア企業のQC Wareは、IBMの156量子ビット超伝導量子プロセッサ「Heron」上で、ハイブリッド量子・古典計算化学ワークフローを実行したと発表した。同社のプラットフォーム「Promethium」は、すでに製薬企業の創薬研究に導入されている。商用グレードの分子シミュレーションプラットフォームが、稼働中の量子ハードウェア上で何らかの計算を実行したことを公に文書化した実証例としては、今回が初めてだという。

今回の計算は、細菌の窒素代謝に関与する金属酵素である一酸化窒素還元酵素を対象とし、創薬、触媒、材料科学の基礎となる量である静電相互作用エネルギーを測定した。ワークフローでは役割が明確に分担されている。PromethiumのGPUアクセラレーション対応量子化学エンジンが分子モデリングの大部分を処理する一方、IBMのHeronプロセッサは、酵素の強相関活性部位を対象とする量子測定を担当した。Quantum Insiderも取り上げたこのワークフローでは、古典ハードウェアが最も苦手とする部分問題を量子プロセッサに割り当てている。

QC Wareは、これがデモンストレーションであり、提供中の機能ではないことを明言している。同社によれば、このハイブリッドワークフローは「現時点ではPromethiumに完全統合された製品機能ではない」。こうした説明は注目に値するとともに、実態を正確に表している。今回のデモンストレーションが示したのは、計算処理の役割分担が機能すること、そして実際の商用化学プラットフォームが実運用されている量子プロセッサと連携できるという、より基礎的な点である。

■金属酵素が古典計算化学の限界に迫る理由

一酸化窒素還元酵素は、意図的に選ばれた難易度の高いターゲットである。活性部位に遷移金属イオン、この場合は鉄中心を含む金属酵素であり、製薬研究者が利用できる標準的な計算化学手法では対応が難しい分子群に属している。

この課題は「強相関電子問題」と呼ばれる。金属酵素のような分子では、遷移金属中心付近の電子が互いに強く絡み合っているため、標準的な密度汎関数理論（DFT）を計算可能にしている平均化近似では、その集団的な量子挙動を適切にモデル化できない。1990年代以降、計算化学の主力となってきたDFTだが、こうした系には対応できず、強相関物質や金属酵素の電子構造について定性的に誤った結果を出すことがある。

古典計算による代替手段としては、CCSD(T)など、電子相関を明示的に扱うポスト・ハートリー・フォック法や多参照法がある。しかし、CCSD(T)の計算量は電子数に対してO(n^7)で増大するため、およそ20～25原子を超える系では計算上扱うことが難しくなる。複数の金属からなる中心部と、その周囲のタンパク質構造を持つ金属酵素の活性部位は、この範囲を大きく超えている。

量子ハードウェアは、原理上この問題に適している。量子プロセッサは量子重ね合わせを用いて電子の波動関数を表現できるため、古典的な多参照法の制約となる指数関数的なメモリ要件を、指数関数的に増大する古典メモリではなく、量子ビットの物理状態に対応付けられる。QC Wareのデモンストレーションは、一酸化窒素還元酵素を試験対象として、この原理を実践に移したものである。こうした対応付けの理論的基礎は、量子計算化学の学術文献で十分に確立されている。

■PromethiumのGPU基盤と量子ロードマップ

QC Wareは、当初からこのアーキテクチャを念頭にPromethiumを構築してきた。同プラットフォームはAmazon Web Services（AWS）経由でNVIDIAのGPUインフラ上で稼働する。第一原理の量子力学に基づくGPUネイティブの量子化学エンジンにより、従来型のコードでは数日を要していた分子シミュレーションを数時間で実行できるとしている。世界上位15社に入る製薬企業で計算化学部門のディレクターを務める人物は、「Promethiumは他の選択肢よりはるかに高速で、AWS上でNVIDIAの最高性能のGPUを利用できる点を評価している」と公表された推薦コメントで述べている。

特定のワークロードでは、Promethiumは主要な従来型プラットフォームと比べて最大20倍高速に計算を実行し、従来は数週間かかっていた処理期間を数時間に短縮する。2024年のNVIDIAとの提携では、この取り組みをAIの学習データ生成にも拡大した。Promethiumで高精度な分子データセットを生成し、創薬向け機械学習モデルの学習に利用するというものだ。

同社の商業戦略は明快だ。現在のGPUハードウェアで実質的な速度向上を提供し、ハードウェアの成熟に合わせて量子統合を段階的に進める。それにより、これまで楽観的に語られがちだった量子コンピューティングの実用化時期に、顧客が賭ける必要をなくすというものだ。今回の発表は、この第2の要素をロードマップ上の構想から、実証済みのアーキテクチャへと進める。QC Wareの共同創業者兼COOであるKin-Joe Sham博士は、「Promethiumは現在、高性能な計算化学を提供すると同時に、将来のハイブリッドワークフローを探求するための基盤にもなると考えている」と述べている。

■IBMのHeronプロセッサで可能なこと

今回のデモンストレーションで量子計算を担ったIBMの「Heron r2」プロセッサは、現在、同社の超伝導量子コンピューティングにおける最上位の性能を担うプロセッサである。156個の量子ビットはヘビー・ヘックス格子状に配置されている。これは、初期の超伝導アーキテクチャで問題となっていた、隣接する量子ビット間の不要な結合を減らすために設計されたトポロジーだ。r2では、超伝導チップのコヒーレンスを低下させる特定のノイズ源に対処する2準位系緩和機能が追加された。この強化により、Heronは前世代より測定可能なほど安定し、IBMが実際の回路で忠実度を改善する基盤となっている。

過去1年間のHeronの実績は重要なものだ。2026年2月、IBMと日本の理化学研究所（理研）は、Heronプロセッサと世界有数の古典スーパーコンピュータ「富岳」を併用して鉄硫黄クラスターの電子構造を計算し、その時点で量子コンピュータ上で行われたものとして最大かつ最も高精度な化学計算を達成した。2026年5月には、クリーブランド・クリニック、理研、IBMが、2基のHeronプロセッサを富岳および別の日本のスーパーコンピュータと連携させ、最大12,635原子からなるタンパク質複合体をシミュレーションした。これは、それまでに報告された量子ハードウェアによるシミュレーションのうち、生物学的に意味のあるものとして最大規模だった。

さらに、今回のQC Wareの発表のわずか1週間前には、IBMとQedma Quantum Computingが、Heron上で検証済みの量子優位性を示すデモンストレーションを公表した。富岳を用いた計算を含む複数の古典シミュレーション手法が信頼できる結果を出せなかった規模の物理モデルについて、長時間にわたる量子ダイナミクスを再現したものだ。

QC Wareが商用化学プラットフォームを接続したのは、まさにこのハードウェアである。

■商用プラットフォームとの統合が重要な理由

理研による鉄硫黄クラスターの研究、クリーブランド・クリニックによるタンパク質シミュレーション、材料物理学における量子優位性の実証など、これまでHeronを利用して行われた化学関連のデモンストレーションでは、いずれも実験専用に構築された研究コードが使われていた。これらは科学的に重要な研究である。一方で、医薬化学者が創薬候補を評価する実務環境に導入されたコードではない。

Promethiumはその点で異なる。同プラットフォームはクラウドインターフェースから利用できる本番用のSaaS製品であり、製薬企業の研究チームが実際の創薬パイプラインで使用している。QC WareがHeron上で量子支援ワークフローを実行した際に使ったのは、学術論文の実験専用に書かれたカスタムコードではない。実際のユーザーが研究上の意思決定に使用している商用製品を、量子ハードウェアに初めて接続したということだ。

この違いにより、アーキテクチャが重要になる。IBMは2026年3月、量子中心スーパーコンピューティング（QCSC）の正式なリファレンスアーキテクチャを公表した。クラウド、研究センター、オンプレミスシステムにまたがる統合ワークフローで、量子プロセッサをCPUやGPUとどのように連携させるかを規定する初の標準化フレームワークである。QCSCモデルでは、量子プロセッサを最も難しい部分問題に特化したアクセラレータとして位置付ける。量子プロセッサが強く相関する量子部分空間を処理する一方、古典ハードウェアが問題の分割と後処理を担う。QC Wareのデモンストレーションは、このアーキテクチャに沿っている。Promethiumが分子系を分割し、強相関活性部位に関する量子測定をHeron上で行い、その結果を化学計算ワークフローに戻している。

IBMの量子ロードマップでは、2026年を量子優位性について意味のある主張を行う年と位置付けていた。化学、とりわけ強相関を持つ金属酵素の電子構造は、古典計算の限界が明確に定義され、量子計算への対応付けも直接的であるため、そうした主張が最も説得力を持ち得る領域である。

■実用化に向けて残された課題

量子コンピューティング分野には能力を誇張してきた長い歴史があるからこそ、QC Wareが限界を明示している点は注目に値する。今回のデモンストレーションは製品機能ではない。現在のPromethium利用者は、プラットフォームの標準APIから量子測定を呼び出すことができない。QC Wareが示したのは、ワークフローのアーキテクチャが成立すること、つまりGPUエンジンと量子プロセッサが整合的にデータをやり取りでき、その結果が代表的な化学問題について科学的な意味を持つという点である。

これを本番用の機能にするには、少なくとも2つの面でさらなる作業が必要だ。第1は統合である。今回のデモンストレーションでは手作業だった量子回路の構築、エラー緩和、結果の後処理を自動化し、Promethiumの既存インターフェースの背後に組み込む必要がある。

第2は規模である。一酸化窒素還元酵素の静電相互作用エネルギーは計算可能な出発点だが、臨床的に重要な創薬標的の完全な電子構造を扱うには、より多くの量子ビット、より低いエラー率、さらに高度なハイブリッドアルゴリズムが必要になる。2026年末までに7,500の2量子ビットゲートを実行できるよう設計されたIBMの「Nighthawk」プロセッサは、そうした改善の方向性を示している。しかし、量子アクセラレーションの恩恵を最も受ける化学問題は、依然として現在のハードウェアの能力を超えている。

創薬における量子コンピューティングの短期的な役割を評価する研究者にとって、実用上のメッセージは明快だ。アーキテクチャは機能し、商用製品との統合は進みつつあり、真に有用なハイブリッド化学計算機能が実現するまでの期間は短くなりつつある。今回の発表によって、次の四半期に可能なことが変わるわけではない。ハードウェアの準備が整ったとき、製品化への道筋がどのようなものになるかを明確にしたのである。

■注目ポイントQ&A

●ハイブリッド量子・古典計算化学は、どのように機能するのですか？

ハイブリッド方式では、分子計算を2種類のコンピューティングシステムに分割し、それぞれが得意とする処理を割り当てます。古典ハードウェア、この場合はPromethiumの密度汎関数理論エンジンを動かすNVIDIA GPUが、構造最適化や系の弱相関部分に対する静電計算など、分子モデリングの大部分を処理します。

量子プロセッサは、標準的なDFT近似が破綻する金属酵素の活性部位、特に遷移金属原子周辺にある強相関電子の量子力学的挙動という、特定の部分問題を担当します。量子プロセッサは電子状態を量子ビットで表現し、関連する量子特性を測定したうえで、古典計算のワークフローへ統合する結果を返します。2026年3月に公表されたIBMの量子中心スーパーコンピューティングのリファレンスアーキテクチャは、この役割分担を一般的なフレームワークとして定式化しています。

●現在の量子コンピュータは創薬分子をモデル化できますか？

IBMのHeronを含む現在の量子プロセッサは、明確に定義された特定の化学計算上の部分問題、特に小規模な分子系や酵素活性部位の強相関電子構造の計算に貢献できます。しかし、創薬ワークフロー全体を通じて、単独で最良の古典計算手法を上回ることはまだできません。

QC Wareのデモンストレーションが意味を持つのは、その対象と限界が具体的かつ明確だからです。古典的な化学計算環境全体を置き換えたのではなく、商用展開されているプラットフォームが量子プロセッサの支援を受け、科学的に意味のある1つの計算を完了したことを示しています。

本格的な創薬分子を扱うには、現在のハードウェアより多くの量子ビット、低いエラー率、高度なエラー緩和が必要です。一方で、量子アクセラレーションを商用化学ツールに組み込むためのアーキテクチャについては、実際に機能するデモンストレーションが示されました。このアプローチの学術的基盤は、量子計算化学に関する査読済み文献で確立されています。

●IBMのHeronプロセッサが化学計算に適している理由は何ですか？

Heronのヘビー・ヘックス格子トポロジーは、初期の超伝導設計で問題となっていた量子ビット間のクロストークを低減します。r2では2準位系緩和機能が追加され、コヒーレンス時間を短縮し、ゲートエラー率を高める超伝導チップ特有のノイズ源に対処しています。

この組み合わせにより、Heronは分子の電子構造計算に必要な回路深度において、前世代のプロセッサより高い実効性能を発揮します。理研および富岳と行った鉄硫黄クラスターの計算、クリーブランド・クリニックとのタンパク質複合体シミュレーション、Qedmaとのフロケ物理学における量子優位性の実証は、いずれもHeronハードウェア上で行われました。これによりHeronは、2026年の量子化学分野における重要な成果を支える、検証済みのハードウェア基盤となっています。エラー緩和ソフトウェアも、フォールトトレラント量子コンピュータの実現前にあるハードウェアで、化学計算の信頼性を高めます。

●電子構造問題とは何ですか。なぜ創薬にとって重要なのですか？

電子構造問題とは、分子内の電子がどのように分布し、相互作用するかを計算する根本的な課題です。この計算は、薬物分子が標的タンパク質にどのように結合するかを含め、化学的、生物学的に重要なほぼすべての性質を左右します。

古典コンピュータでは、電子構造を高精度に扱うための計算量が電子数に対して指数関数的に増大します。そのため、高精度な手法で大きな分子や強相関系を扱うことは、実用上困難です。創薬がDFTのような近似手法に大きく依存する理由もここにあります。しかしDFTは、生物学的プロセスの理解や標的治療薬の設計で重要となる金属酵素や遷移金属触媒では、適切な結果を出せないことがあります。

量子コンピュータは電子の量子状態を量子ビットで直接表現でき、古典的手法を制約する指数関数的なメモリ増大を回避できるため、原理上この問題に適しています。

元記事: QC Ware’s Promethium Executes First Quantum Chemistry Run on IBM Heron Processor