Een internationaal team van onderzoekers heeft een significante technische mijlpaal bereikt in de wereld van de quantumchemie. Voor het eerst is het gelukt om moleculaire structuren van een ongekende omvang, specifiek eiwit-ligandcomplexen met meer dan 12.000 atomen, nauwkeurig te simuleren. Deze prestatie werd mogelijk gemaakt door een innovatieve hybride aanpak die gebruikmaakt van zowel quantumprocessors als klassieke supercomputers.
In een wetenschappelijk rapport, waarin onder meer Mario Motta en Kenneth M. Merz Jr. als auteurs optreden, wordt een nieuwe workflow gepresenteerd die gebruikmaakt van 'heterogene quantum-klassieke' (HQC) supercomputing. Bij deze methode wordt een complex molecuul via quantum embedding opgedeeld in kleinere, hanteerbare fragmenten. Deze fragmenten worden vervolgens individueel gesimuleerd, waardoor de enorme rekenlast wordt verdeeld over verschillende architecturen. Volgens de publicatie op arxiv.org betreft dit de meest resource-intensieve HQC-berekening die tot op heden is uitgevoerd binnen de quantumchemie.
Voor de uitvoering van deze complexe berekeningen werden twee quantumprocessors van IBM ingezet: ibm_kobe en ibm_cleveland. Hoewel deze processors over 156 qubits beschikken, werden er voor dit specifieke project tot 94 qubits gebruikt. De schaal van de operatie was enorm: in een periode van ruim 239 uur werden 21.006 circuits gedraaid, wat leidde tot ongeveer 3 miljard meetuitkomsten.
Naast de quantumhardware speelden klassieke supercomputers een cruciale rol bij de verdere verwerking van de data. De golffuncties van de fragmenten werden berekend op de supercomputers ROQUO, Miyabi-G en Fugaku. Door de inzet van schaalbare gedistribueerde lineaire algebra-kernels kon een parallelle efficiëntie van 72,5% worden behaald. Deze synergie tussen verschillende rekentypen is kenmerkend voor de HQC-benadering. Hoewel de term 'heterogeen' in de medische wereld, zoals uitgelegd door radiologyinplainenglish.com, duidt op variaties in dichtheid of textuur binnen een orgaan, betekent het in de context van supercomputing de integratie van uiteenlopende rekenarchitecturen om één complex vraagstuk op te lossen.
De effectiviteit van deze nieuwe workflow werd getest op twee eiwit-ligandcomplexen met een omvang tussen de 11.608 en 12.635 atomen. De resultaten laten een enorme sprong in capaciteit zien: de systeemgrootte die gesimuleerd kan worden is met meer dan 40 keer toegenomen. Daarnaast is de nauwkeurigheid tot wel 210 keer verbeterd ten opzichte van eerdere methoden. De HQC-methode slaagde erin om de precisie van 'coupled-cluster' (CCSD) berekeningen voor fragmentenergieën te evenaren, wat een grote stap voorwaarts is in de betrouwbaarheid van dergelijke simulaties.
Met deze ontwikkeling is het team in staat om voor het eerst eiwit-ligandbinding te voorspellen via HQC met behulp van een gemengde basisset. De geautomatiseerde end-to-end workflow maakt het mogelijk om berekeningen uit te voeren op zeer grote eiwitsystemen die voorheen technisch onmogelijk waren om te modelleren. Het volledige onderzoek, dat in een herziene versie op 5 september 2026 is gepubliceerd via , biedt uitgebreide details over de methodiek in een rapport van 13 pagina's. De resultaten onderstrepen de potentie van hybride computing voor toekomstig biologisch en chemisch onderzoek.