Moderna社とIBM Quantumは、量子対応のバイオテクノロジーパイプラインの実現に向けて取り組んでいます。
Moderna社は、製薬およびバイオテクノロジー分野の大手企業です。メッセンジャーRNA（mRNA）医薬品とワクチンのパイオニアである同社は、体内で重要な役割を果たすmRNA分子を利用して、疾患の治療と予防を行っています。現在、Moderna社はIBMとの研究・技術パートナーシップを通じて、mRNA医薬品の設計における量子コンピューティングの応用を探求しています。
人体には10万種類を超えるタンパク質が存在し、それぞれのタンパク質はmRNAに由来しています。何十年もの間、科学者たちは、mRNAが細胞機能の最も根本的なレベルで疾患に対処できる新しい種類の医薬品の基盤となる可能性を秘めていることを認識してきました。Moderna社は、その知見を実践に移すリーディング・カンパニーです。
同社はmRNA技術を活用し、これまで治療不可能と考えられていた疾患の予防や治療に役立つ可能性のあるタンパク質を細胞に生成させています。
従来型のコンピューターはmRNAの開発において強力なツールですが、計算負荷の高い課題に取り組む際には限界があります。量子コンピューティングは、現在のアルゴリズムが限界に達する領域で古典的手法を補完し、これらの課題に対する有望な新しいアプローチを提供します。
Moderna社にとって重要な課題は、疾患を治療できるタンパク質を体内で生成する方法を正確に指示するmRNA技術の指示情報を開発することです。特定のタンパク質に対して、それをコード化できるmRNA配列は天文学的な数にのぼり、その最適化は極めて複雑な作業となります。
mRNAで医療課題に取り組むために、研究者はまず疾患に関与する生物学的メカニズムを特定し、そのプロセスを調節できるタンパク質を決定します。次に、そのタンパク質をコードするヌクレオチド配列を特定します。さらに、タンパク質をコードするだけでなく、その配列が体内で安定していることを確認する必要があります。また、不要な免疫反応を引き起こすことなく、十分な量を生成できて有効性を発揮することも確認しなければなりません。これには、膨大な数の可能なヌクレオチド配列の中から最適なものを見つけ出すために、細胞化学に関する深い理解と多大な計算能力が必要です。
Moderna社は、この分子化学作業に対して迅速かつスケーラブルなアプローチを有していますが、mRNA医薬品の開発プロセスを改善する方法を常に模索しています。そのため、Moderna社はテクノロジーが実用的な応用の入り口に立つ今、量子コンピューティングの専門知識を培うことになりました。
「私たちの目標は人類の健康を増進することです。」と、Moderna社の量子アルゴリズム応用担当アソシエイト・サイエンティフィック・ディレクターのAlexey Galda氏は述べています。「テクノロジーが将来完全に成熟するのを待つのではなく、今この段階で進歩を拡大するために量子コンピューティングを含むあらゆる利用可能なツールを探求することが重要だと私たちは考えています」。
mRNA分子が体内でどのように振る舞うかを予測するには、その二次構造、すなわちRNA鎖が茎やループ、バルジへと折りたたまれる原因となるヌクレオチド間の内部的な引力のパターンを理解することが重要です。これらの構造は、mRNAがどれだけ効率的にタンパク質へ翻訳されるか、その安定性、そして細胞内機構との相互作用に影響します。
理論的には、各mRNA配列は天文学的な数の二次構造に折りたたまれる可能性がありますが、分子の挙動を支配する物理法則を考慮すると、そのうち実際に起こり得るのはごく一部にすぎません。実際には、その分子は自由エネルギーが最も低い構造、つまり生理学的条件下で最も安定したコンフォメーションを取る傾向があります。この構造を予測するには複雑な組合せ最適化問題を解く必要があり、量子強化アルゴリズムに最適です。
IBMのエンタープライズパートナーは、金融から航空宇宙まで幅広い業界で、近未来の量子アプリケーション研究向けアルゴリズムの一種である変分量子アルゴリズム（VQA）の応用可能性を模索しています。VQAやその他のヒューリスティック・アルゴリズムに関する研究が注目されるのは、エラー訂正といった次世代の量子コンピューティング技術が登場するまでの間、これらのアルゴリズムが量子優位性をもたらす可能性があるためです。
Moderna社とIBMの研究者は、金融で用いられるリスク評価手法であるConditional Value at Risk（CVaR）を使用し、VQAの性能を向上させ、複雑な最適化問題の最適解を見つけ出しました。CVaRは、投資家がポートフォリオのテール・リスクを評価し、最悪のシナリオにおける投資損失の可能性を見積もるのに役立ちます。量子コンピューティングにおいて、CVaRはエネルギー分布の下側のテールに最適化プロセスを集中させ、最も有望な解を効果的に狙います。CVaRは測定分布の最も低エネルギーの部分に最適化を集中させることで分散を軽減し、古典的オプティマイザーをより有望な解へ導くとともに、ノイズの多い外れ値への感度を低減します。CVaRは軽量な古典的後処理ステップとして機能するため、大きな計算負荷を増やすことなくVQAを強化できます。
CVaRの計算負荷が低いことは大きな利点です。IBMは、エラー率の低減を実現したIBM QuantumHeronプロセッサーなどの改良されたアーキテクチャーを用いてハードウェアレベルでノイズ抑制に取り組んでいますが、それでも追加のエラー軽減技術が必要になることがよくあります。これらの技術は、量子および古典リソースをノイズの特性評価と補正に割り当てるものであり、その結果、実際の科学的問題を解くために利用できる計算資源が減少する可能性があります。CVaRベースのVQAは、軽量な古典的処理を用いて高品質な測定結果に効率的に注力することで、この負担を軽減し、有意義な計算のためにより多くのシステム容量を活用できるようにします。
現在、量子コンピューターは急速にスケールアップしており、ノイズに対してより強固になりつつあります。私たちは、量子コンピューターが特定の問題に対し、古典的な総当たり近似法を超える規模で信頼性の高い結果を提供できる「量子ユーティリティー」の時代に突入しました。IBM Quantum副社長のJay Gambettaは、量子および高性能コンピューティングのコミュニティーが協力して技術を採用すれば、2026年までに世界で最初の量子優位性の事例が見られると予想しています。量子優位性を実現する一つの方法は、ヒューリスティック手法をより洗練させ改善することです。Moderna社は、VQAをより実用的にすることでこの道を追求しており、新興技術をいち早く取り入れることに大きな可能性があると考えています。
「私たちは、後から競合他社に追いつこうと慌てて導入するのではなく、新技術を率先して取り入れることで、自分たちのペースで理解を深めたいと考えています」と、Moderna社デジタル担当シニア・バイス・プレジデントのWade Davis氏は述べています。「IBM社と連携することで、この量子アプローチが何を実現できるかを見極める機会を得られ、ただ新たな技術の誕生を待ってから、慌てて理解しようとするのとは違いました」と述べています。
Moderna社とIBM Researchの共同チームは、目覚ましい成果を挙げており、現在は二次構造予測への量子コンピューティングを用いたアプローチを探求しています。2024年にIEEE国際量子コンピューティング・エンジニアリング会議で発表された論文において、チームは組合せ最適化問題に対して商用の従来型ソルバーと同等の結果を出せる量子アプローチを実証しました。
研究において、Moderna社とIBMのチームは、mRNA二次構造予測問題にCVaRベースのVQAを適用しました。この成果は、量子ハードウェア上で実現された最大規模かつ最先端のVQAの一つであり、Moderna社の研究を支援する量子コンピューティングの実力を示しています。
2024年、この研究は量子による二次構造シミュレーションで記録的な規模に達し、最大80量子ビット、最大60ヌクレオチドのmRNA配列長を扱いました。著者らの知る限り、これまで量子コンピューター上で42ヌクレオチドを超える配列のシミュレーションを行った例はありませんでした。
2025年後半に発表予定の研究では、同じ手法を用いて最大156量子ビット、950個の非局所ゲート（回路の複雑さの指標）に及ぶ問題サイズに適用しました。また、この種の問題に対する新たな手法として、チームは瞬時量子多項式（IQP）回路に基づく量子最適化を提案しました。CVaRベースのVQAに似たこのサンプリングベースの手法は、量子と従来型のリソースを共同で活用する量子・高性能コンピューティング（HPC）環境において、最も効率的な利用を可能にします。
近未来の量子対応バイオテクノロジーパイプラインを見据えて
Moderna社の最終目標は、従来型コンピューティングを量子手法で置き換えることではなく、近未来の量子対応バイオテクノロジー・パイプラインを構築することです。「多くの場合、人は量子コンピューティングが従来型コンピューティングを凌駕することだけに目を向けがちです。しかし、必ずしもそれは目標ではありません。量子ツールがより多様な解、すなわち生成して実験室で検証できるより多様な分子を提供できることにも価値があります」とGalda氏は述べています。「独自の非常に特定の特性を持つこの追加ツールを活用できることは、ワークフローにおける核心的なボトルネックとなる計算問題にとって非常に価値があります。「私が考える最も現実的なシナリオは、量子コンピューティングが従来型コンピューティングを補完し、特定の領域で一定の優位性をもたらすことです」。
IBMは、社会やビジネスが直面する最重要課題を解決するために、従来型コンピューティングと量子コンピューティングが協調して機能する未来を描いています。量子を中心としたスーパーコンピューティングは、問題を量子アーキテクチャーと従来型アーキテクチャーに分割し、それぞれが互いの能力を補完し合いながら、かつては解決困難だった問題に迅速に結果をもたらします。IBMとModerna社のチームは、さらに大規模なスケールで二次構造問題に対する量子中心のアプローチに注力しています。
「IBMと連携することは、重要な研究成果を継続的に生み出してきた実績のある企業とパートナーシップを築く機会が得られることを意味します。そして量子コンピューティングの分野では、IBMが技術開発の明確なロードマップを持ち、そのロードマップのマイルストーンを着実に達成してきた実績が重要でした」」とDavis氏は述べています。
量子コンピューティングが拡大する中、Moderna社はmRNA医薬品を通じて人々に最大の効果をもたらすため、活用に向けた準備を進めています。
2010年設立のModerna社は、科学・技術・健康といった領域で活動し、かつてない速さと効率性でmRNA医薬品を世に送り出しています。mRNA技術の進展を通じて、Moderna社は医薬品の製造方法を再構築し、すべての人々の疾患治療と予防のあり方を変革しています。同社は、最も早期かつ効果的な新型コロナウイルス向けワクチンの一つであるSpikevaxと、呼吸器合胞体ウイルス（RSV）ワクチンを開発したことでも知られています。Moderna社のmRNAプラットフォームは、感染症、免疫腫瘍学、希少疾患、自己免疫疾患向けの治療薬およびワクチンの開発を可能にしています。Moderna社は独自のカルチャーと、Modernaの価値観とマインドセットに基づいて責任を持って人類の健康の未来をより良い方向へ変えようとすることに取り組むグローバル・チームを擁し、mRNA医薬品を通じて人々に極めて大きな貢献をすることを目指しています。
法務
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