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医薬品における量子コンピューティング
量子力学の原理は、光子や電子などの素粒子の複雑な動きなどを調べることを目的としています。現在、この原理は、コンピューティングの世界に革命をもたらし、サイバーセキュリティや情報技術などの業界を混乱させてしまう可能性が生じています。また、量子コンピューティングの世界はまだ揺籃期にあり、量子ビットと呼ばれる過冷却チップの配列は、医薬品研究の世界を再構築し、生物学的根拠に基づく新しい治療法の開発を加速することが期待されています。
量子コンピューティングとは?
量子コンピューティングは、従来のコンピューター(「古典コンピューター」と呼ばれている)から一歩進んだもので、古典的なコンピューターシステムは、論理演算を二進法で実行するように設計されています。このようにして、古典的な計算操作の対象は、物理的状態に対して単一の明確な位置を占めます。ワンゼロ、アップダウン、オンオフなどの単一状態の演算をビットと呼び、これらのビットを操作すると、期待通りの計算結果が得られます。
量子コンピューティングは、素粒子の動きに見られる重ね合わせや絡み合いといった量子現象を計算に応用したもので、量子コンピューティングの世界では、計算は対象物の定義された状態ではなく、測定される前の潜在的な状態に基づいて行われます。つまり、対象物の潜在的な状態は、二進法のワンゼロよりも多くの可能性を持っているのです。
一般的な「現実世界」での例として、空中でコインを回転させた場合、コインが回転している間に表向きになったり、裏向きになったり、さらには端に落ちたりする可能性が考えられます。コインが着地するまでは、これらすべての選択肢が同時に存在していることになり、量子コンピューティングでは、この重ね合わせ現象を利用して、古典的なコンピューターシステムよりも多くのデータを記録し、指数関数的に高速な演算を行うことができます。
量子コンピューティングの仕組み
量子コンピューティングの基本単位は量子ビット、つまり「Qubit」であり、測定されるまで同時に複数の状態で存在する可能性があります。量子ビットは最大2ビット分のデータを保持することができ、そのデータには0や1だけでなく、0と1の両方を同時に含むことができます。これにより、量子ビットの配列はすべての可能な値を同時に表すことができ、古典的なコンピューターでは実用的な時間内に実行することが事実上不可能な演算を、量子コンピューティングで実行することができるようになります。
2019年、Googleの実験用量子コンピューティングアレイが、初めて量子超越性を達成しました。この54量子ビットのアレイは、古典的なシステムであれば約1万年かかる理論上の問題を、わずか200秒で解決したのです。量子ビットアレイが大きければ大きいほど演算は速くなり、現在、IBMやマイクロソフトなどの企業が1,000量子ビット以上のアレイを開発しています。
現在、IBMは自社の5量子ビットアレイを量子ネットワークの研究者に無償で提供しており、マイクロソフトのAzure Quantumプラットフォームは、さまざまな分野の研究者にアプリケーションで提供されています。しかし、量子コンピューティングの専門家は、量子コンピューターシステムの普及は10年以上先になるだろうと指摘しており、これは量子ビットアレイを絶対零度に近い超低温で維持することの難しさが主な理由です。
機能的で利用しやすい量子コンピューティングプラットフォームが開発されれば、あらゆる産業分野で、進歩に対するさまざまな障害を解決することができます。特に、医療やバイオ医薬品の世界では、量子コンピューティングによって、分子比較と呼ばれる重要な研究プロセスが加速され、生物学的な、つまり大きな分子をベースにした医薬品の生産が加速される可能性があります。
医療・バイオ医薬品における量子コンピューティング
分子力学は医薬品開発プロセスにおいて重要な役割を果たしており、今日の最も革新的なバイオ治療薬の開発の背景にもなっています。研究者は、従来の計算機技術によって、分子モデリングや比較などの戦略を用いて、新薬の活性化の対象を定義しています。そして、その対象がどのように反応するかを理解し、治療の良い結果を得るための経路を見つけています。
比較的最近まで、多くの医薬品は「低分子」またはSMS医薬品でした。これらの化合物は分子量が小さく、ペニシリンやアスピリンなどの定番薬のほか、さまざまな病気の新しい治療薬があります。低分子医薬品は、分子構造を解析してターゲットを絞るための標準的なコンピューターシステムを使って、比較的容易に開発・製造することができます。
しかし、多くの製薬関係者は、医薬品開発の未来は生物製剤にあると考えています。生物製剤とは、モノクローナル抗体や遺伝子治療薬、インスリンなどの細胞性医薬品を含む「大分子」のバイオ医薬品のことです。化学的に合成された低分子医薬品とは異なり、大分子医薬品は人間の体内にすでに存在するタンパク質とほぼ同じで、非常に複雑なタンパク質です。これらの医薬品の分子サイズは、SMS医薬品の数千倍にもなります。
生物学的製剤は、SMS医薬品にはない様々なニーズを満たし、癌、自己免疫疾患、ウイルスなどの病気の治療に新たな希望を与えてくれます。このような革新的な治療法を、SMS医薬品と並行してより広く利用できるようになれば、医療サービスの領域を大きく変えることができるでしょう。しかし、生物学的製剤は、大きな分子とその標的を分析するために、現在のコンピューター技術では非常に高価で製造に時間がかかる場合があります。
バイオ医薬品の革新を支える量子コンピューティング
製薬会社の研究者は、量子コンピューティングを利用することで、従来のコンピューターシステムよりも高速かつ効率的に、より大きな分子を比較することができ、分子結合の挙動についてより良い知見を得ることができます。これにより、複雑で高度に標的化された生物製剤の開発と提供が迅速化され、より低コストで入手できるようになります。これは、現在は治療法が限られている多くの深刻な疾患に苦しむ人々にとって、救命につながる可能性を秘めています。
この目標を達成するために、多くの既存企業や新興企業が、さまざまなアプリケーションやクラウドベースのツールを使って実験を行い、量子コンピューティング技術を医薬品開発に応用する方法を模索しています。製薬会社のBiogen社は、量子コンピューティングソフトウェア会社のIQBit社やコンサルティング会社のAccenture社と提携し、量子ベースの分子比較ツールを開発しました。
「生物学的革命」は、量子コンピューティング、あるいは古典的なシステムと量子ベースのシステムの両方を組み合わせて活用することが可能な、医薬品の研究開発における多くの側面の一つに過ぎません。しかし、製薬会社の代表者やコンピューティングの専門家は、医薬品やヘルスケアにおける量子的な変革はまだ何年も先のことであり、これらの技術は、従来のコンピューティング手法に取って代わるものではなく、補強するものとして理解されるべきだと述べています。
新薬が発見されてから販売されるまでには、平均して10年以上かかると言われています。しかし、量子コンピューターの洗練されたアルゴリズムは、こうした状況を一変させ、明日の革新的な新薬を、これまで以上に迅速かつ効率的に市場に送り出すことができるかもしれません。