Kvantový počítač poprvé nasimuloval protein z 12 635 atomů. Vývoj léků už nikdy nebude stejný

Po desetiletích slibů, demonstrací a soutěže o počet qubitů přichází kvantové počítání s výsledkem, který nezní jako laboratoní kuriozita, ale jako praktický vědecký průlom. Mezinárodní tým vědců z Cleveland Clinic, IBM a japonského Rikagaku Kenkyúšo – RIKEN – oznámil úspěšnou simulaci proteinového komplexu o rozsahu 12 635 atomů, čímž překonal veškeré dosavadní záznamy v oblasti kvantových výpočtů aplikovaných na biologii. Přitom ještě v listopadu 2025 zvládl tentýž tým simulovat protein o pouhých 303 atomech – a i to bylo tehdy označeno za průlom.

Čtyřicetinásobný skok za šest měsíců

Progres je závratný i na poměry odvětví, které je zvyklé na rychlý vývoj. Za přibližně šest měsíců tým zvýšil velikost simulovatelného proteinu čtyřicetkrát a zároveň dosáhl více než 210násobného zlepšení přesnosti výsledků. Tato čísla nejsou výsledkem jednoho velkého technologického skoku, ale výsledkem souběhu tří věcí: nového algoritmu, těsné integrace kvantového a klasického hardware a mezinárodní vědecké spolupráce přes dvě kontinenty.

Modelovány byly dva biologicky relevantní proteiny. Prvním byl T4-lysozym – protein ze skupiny enzymů podílejících se na imunitní obraně organismu tím, že rozkládají buněčné stěny bakterií. Druhým byl trypsin – enzym produkovaný slinivkou břišní a klíčový pro trávení bílkovin. Oba proteiny byly simulovány v přirozeném vodném prostředí a ve vazbě na molekuly, s nimiž v organismu interagují. Největší ze simulací zahrnovala 12 635 atomů a přibližně 30 000 molekulárních orbitálů.

Kvantově-centristický superpočítač: co to vlastně znamená

Za výsledkem stojí přístup, který IBM označuje jako quantum-centric supercomputing – kvantově-centristický superpočítač. Jde o hybridní architekturu, v níž kvantové procesory a klasické superpočítače pracují v úzké součinnosti: každý z nich řeší tu část výpočtu, v níž je přirozeně silnější. Klasické počítače rozkládají složité proteinové komplexy na menší výpočetně zvládnutelné fragmenty. Kvantové procesory – konkrétně IBM Quantum Heron procesory s 156 qubity, instalované jak v Cleveland Clinic v USA, tak v japonském RIKEN – pak provádějí výpočty elektronické struktury, pro něž jsou klasické stroje buď příliš pomalé, nebo příliš nepřesné.

Klíčem k prudkému skoku v přesnosti byl nový algoritmus nazývaný subspace quantum diagonalization (SQD). Jerry Chow, technický ředitel divize Quantum-Centric Supercomputing v IBM Research a IBM Fellow, pro HPCwire vysvětlil, jak tým postupoval: začali od metanu o deseti atomech, pak přešli na benzen, pak na cyklohexan. Každý krok fungoval. A pak zkusili protein. „Pracovalo to krásně," řekl Kenneth Merz, jeden z výzkumníků z Cleveland Clinic, který má za sebou přes čtyři dekády práce v oblasti molekulárního modelování. Sám přiznal, že ho výsledek překvapil: nový kvantový algoritmus překonal přesností klasické metody, které používal celou kariéru.

Proč na tom záleží pro vývoj léků

Simulace proteinů na molekulární úrovni je jedním z ústředních problémů farmaceutického výzkumu. Léčiva zpravidla fungují tak, že se váží na konkrétní proteiny a ovlivňují jejich aktivitu – a předpověď toho, jak silně a přesně se daná molekula na protein váže, je kritická pro design nové účinné látky. Dnes se tato předpověď provádí buď experimentálně – draho, pomalu – nebo pomocí klasických výpočetních metod, jež jsou schopné zachytit chemické interakce jen přibližně a u menších molekul. Kvantové počítače jsou z principu schopné modelovat kvantové chování elektronů přesněji – jenže dosud jen u příliš malých molekul, aby to bylo pro reálný vývoj léků relevantní.

Simulace proteinů v rozsahu tisíců atomů mění tuto rovnici. Trypsin a T4-lysozym jsou proteiny, u nichž existují rozsáhlá experimentální data – tedy ideální testovací terče pro ověření přesnosti nové metody. Pokud výsledky kvantové simulace odpovídají experimentálním datům, stává se metoda potenciálně použitelnou i pro proteiny, u nichž experimentální data nemáme. A právě tam leží zárodek revoluce ve farmaceutickém vývoji: v oblasti, kde dosud vědci tápou.

Od qubitů k biologickým problémům: změna měřítka

Dosavadní vykazování pokroku v kvantovém počítání se soustředilo na technické metriky: kolik qubitů stroj má, jakou chybovost vykazují hradla, jak se škáluje. Tým z Cleveland Clinic, RIKEN a IBM v tiskové zprávě explicitně označil tento průlom za posun v tom, jak se pokrok v oboru měří: namísto fyzikálních parametrů procesoru nyní měřítkem pokroku může být velikost a biologická relevance problémů, které je kvantový hardware schopen pomoci vyřešit. Je to přechod od „jak silný je stroj" k „co dokáže udělat".

Průlomový výzkum byl zveřejněn jako předtisk – preprint studie – a prozatím prochází recenzním procesem. Zároveň platí, že výsledky neznamenají, že kvantový počítač nahradí klasické superpočítače v lékařském výzkumu ze dne na den. Hybridní přístup kombinující oba typy hardware zůstane standardem ještě dlouhá léta. Ale hranice toho, co je hybridní architekturou dosažitelné, se právě dramaticky posunula.

Budoucnost, která se rýsuje

Cleveland Clinic je jednou z mála nemocnic na světě, která má přímo v areálu instalovaný komerční kvantový počítač – IBM Quantum System One byl uveden do provozu v roce 2023 jako součást širšího partnerství zaměřeného na transformaci zdravotní péče pomocí výpočetní techniky nové generace. Japonský RIKEN provozuje jeden z nejvýkonnějších superpočítačů na světě – Fugaku – a jeho zapojení do kvantového výzkumu odráží japonskou státní strategii budování kapacit v oblasti post-klasické výpočetní techniky.

Chow v rozhovoru pro HPCwire uzavřel: „Vidíme toto jako teprve začátek." Šest měsíců, čtyřicetinásobný skok ve velikosti simulace, 210násobné zlepšení přesnosti. Pokud tempo vývoje zůstane byť jen přibližně srovnatelné, otázka nestojí, zda kvantové počítače změní farmaceutický výzkum – ale kdy.