Moderna와 IBM Quantum은 양자 지원 생명공학 파이프라인을 구축하기 위해 노력하고 있습니다.
Moderna는 선도적인 제약 및 생명 공학 회사입니다. 메신저 RNA(mRNA) 의약품 및 백신의 선구자인 이 회사는 신체에서 중요한 역할을 하는 mRNA 분자를 사용하여 질병을 치료하고 예방합니다. 현재 Moderna는 IBM과의 연구 및 기술 파트너십을 통해 mRNA 의약품 설계에 양자 컴퓨팅 적용을 모색하고 있습니다.
인체에는 100,000종 이상의 단백질이 포함되어 있으며 각 단백질은 mRNA에서 파생됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 mRNA가 세포 기능의 가장 근본적인 수준에서 질병을 해결할 수 있는 새로운 종류의 의약품의 기초를 형성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것을 알고 있었습니다. Moderna는 이러한 인사이트를 행동으로 옮기는 데 앞장서 왔습니다.
이 회사는 mRNA 기술을 사용하여 세포가 이전에 치료할 수 없는 것으로 간주되었던 질병을 예방하거나 치료하는 데 도움이 될 수 있는 단백질을 생성하도록 유도했습니다.
기존 컴퓨터는 mRNA 개발에 있어 강력한 도구였지만 계산 집약적인 문제를 해결할 때는 한계가 있습니다. 양자 컴퓨팅은 이러한 문제에 대한 새로운 접근 방식을 제공하여 현재 알고리즘이 한계에 도달하는 기존 방법을 보완합니다.
Moderna의 주요 과제 중 하나는 질병을 치료할 수 있는 단백질을 생성하도록 신체에 정확히 유도하는 mRNA 기술 지침을 개발하는 것입니다. 특정 단백질에 대해, 이를 암호화할 수 있는 mRNA 서열의 수는 천문학적으로 방대하여 최적화는 복잡한 작업이 됩니다.
mRNA의 의학적 문제를 해결하기 위해 연구자들은 질병과 관련된 생물학적 메커니즘을 식별하고 어떤 단백질이 해당 과정을 조절할 수 있는지 결정하는 것부터 시작합니다. 그런 다음 해당 단백질을 인코딩하는 뉴클레오티드 서열을 식별합니다. 단백질을 암호화하는 것 외에도 연구자들은 서열이 체내에서 안정적인지 확인해야 합니다. 또한 원치 않는 면역 반응을 유발하지 않고 효과적일 수 있는 충분한 양으로 생산될 수 있는지 확인해야 합니다. 이를 위해서는 세포 화학에 대한 깊은 이해와 수백만 개의 가능한 뉴클레오티드 서열을 선별하여 올바른 염기서열을 찾기 위한 상당한 컴퓨팅 성능이 필요합니다.
Moderna는 이 분자 화학 작업에 대해 빠르고 확장 가능한 접근 방식을 가지고 있지만, 항상 mRNA 의약품 개발 과정을 개선할 방법을 찾고 있습니다. 이러한 노력 덕분에 Moderna는 양자 컴퓨팅 기술이 실질적인 활용 단계에 접어든 지금, 관련 전문성을 개발하게 되었습니다.
"우리의 목표는 인간의 건강을 개선하는 것입니다."라고 Moderna의 양자 알고리즘 및 응용 부문 부과학 책임자인 Alexey Galda는 말합니다. "우리는 기술이 완전히 성숙하기를 기다리기보다, 오늘날 우리의 발전을 확장하기 위해 양자 컴퓨팅을 포함한 모든 가용한 도구를 탐색하는 것이 매우 중요하다고 믿습니다."
mRNA 분자가 체내에서 어떻게 행동할지 예측하려면, 그 분자의 2차 구조를 이해하는 것이 중요합니다. 2차 구조는 뉴클레오티드 간의 내부적 인력으로 인해 RNA 사슬이 줄기, 고리, 불룩한 부분 등으로 접히는 패턴을 의미합니다. 이 구조들은 mRNA가 단백질로 번역되는 효율성, 안정성, 그리고 세포 내 기계 장치와의 상호작용에 영향을 미칩니다.
이론적으로 각 mRNA 서열은 천문학적으로 많은 수의 2차 구조로 접힐 수 있지만, 분자 거동을 지배하는 물리적 법칙을 고려할 때 그 중 일부만이 가능합니다. 실제로 분자는 생리학적 조건에서 가장 안정적인 형태인 가장 낮은 자유 에너지를 가진 구조를 채택하는 경향이 있습니다. 이 구조를 예측하는 것은 복잡한 조합 최적화 문제를 해결하는 것을 포함하며, 이는 양자 강화 알고리즘에 필수적인 과제입니다.
IBM 엔터프라이즈 파트너는 금융에서 항공 우주에 이르기까지 다양한 산업에서 단기 quantum 애플리케이션 연구를 위한 알고리즘의 일종인 변형 양자 알고리즘(VQA)을 응용 가능한 부분을 모색하고 있습니다. VQA 및 기타 휴리스틱 알고리즘에 대한 연구는 오류 수정과 같은 차세대 양자 컴퓨팅 기술이 도착하기 전에 알고리즘이 양자 이점을 제공할 수 있기 때문에 흥미롭습니다.
Moderna와 IBM 연구원들은 재무 분야에서 사용되는 위험 평가 기법인 CVaR(Conditional Value at Risk)을 사용하여 VQA의 성능을 개선하고 복잡한 최적화 문제에 대한 최적의 솔루션을 찾았습니다. CVaR은 투자자가 포트폴리오의 극단적 위험을 평가하여 최악의 시나리오에서 발생할 수 있는 투자 손실을 추정하는 데 도움이 됩니다. 양자 컴퓨팅에서 CVaR은 에너지 분포의 하단부에 최적화 프로세스를 집중하여 가장 유망한 솔루션을 효과적으로 타겟팅합니다. CVaR은 측정 분포의 가장 낮은 에너지 부분에 최적화를 집중하여 분산을 완화하고, 노이즈가 있는 이상치에 대한 민감도를 줄이면서 기존 옵티마이저를 보다 유망한 솔루션으로 효과적으로 유도합니다. CVaR은 경량 클래식 후처리 단계처럼 작동하기 때문에 상당한 계산 오버헤드를 추가하지 않고도 VQA를 향상시킬 수 있습니다.
CVaR의 낮은 계산 오버헤드는 주요 이점입니다. IBM은 오류율이 낮은 IBM Quantum Heron 프로세서와 같은 개선된 아키텍처를 통해 하드웨어 수준에서 노이즈를 억제하기 위해 노력하고 있지만 여전히 추가적인 오류 완화 기술이 필요한 경우가 많습니다. 이러한 기술에는 노이즈 효과를 특성화하고 수정하는 데 양자 및 고전 리소스를 할당하는 것이 포함되며, 이는 실제 과학적 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 컴퓨팅을 줄일 수 있습니다. CVaR 기반 VQA는 경량 클래식 프로세싱을 사용하여 고품질 측정 결과에 효율적으로 집중하여 의미 있는 계산을 위해 더 많은 시스템 용량을 사용할 수 있도록 함으로써 이러한 부담을 줄이는 데 도움이 됩니다.
현재 양자 컴퓨터는 빠르게 확장되고 있으며 노이즈에 대해 더욱 강력해지고 있습니다. 우리는 양자 컴퓨터가 특정 문제에 대한 기존의 무차별 대입 근사화 방법을 뛰어넘는 규모로 신뢰할 수 있는 결과를 제공할 수 있는 양자 유틸리티의 시대에 들어섰습니다. IBM Quantum의 부사장인 Jay Gambetta는 양자 및 고성능 컴퓨팅 커뮤니티가 함께 협력하여 기술을 채택한다면 2026년까지 전 세계가 양자 이점의 첫 번째 사례를 보게 될 것으로 예상합니다. 그리고 양자적 이점을 얻는 한 가지 방법은 휴리스틱 방법을 개선하고 개선하는 것입니다. Moderna는 IBM과 협력하여 VQA를 더욱 실용적으로 만들어 이 길을 추구해 왔습니다. 그들은 새로운 기술을 가장 먼저 받아들이는 데 기회가 있다고 생각하기 때문입니다.
“우리는 새로운 기술을 조기에 도입합니다. 왜냐하면 나중에 뒤처져서 따라잡는 것보다 우리 나름의 방식으로 이해하는 것을 선호하기 때문입니다,”라고 Moderna의 디지털 부문 선임 부사장인 Wade Davis가 말했습니다. "IBM과 협력함으로써 우리는 이 양자 접근법이 실제로 무엇을 할 수 있는지 직접 확인할 수 있었고, 기술이 등장할 때까지 기다렸다가 서둘러 이해하려는 상황을 피할 수 있었습니다."
Moderna—IBM Research의 공동 팀은 놀라운 성과를 거두었으며 현재 2차 구조 예측에 대한 양자 접근법을 모색하고 있습니다. 양자 컴퓨팅 및 엔지니어링에 관한 IEEE 국제 컨퍼런스에 발표된 2024년 논문에서 그들은 조합 최적화 문제에 대한 상용 고전 솔버의 결과와 일치할 수 있는 양자 접근 방식을 보여주었습니다.
그들의 연구에서 Moderna–IBM 팀은 mRNA 2차 구조 예측 문제에 CVAR 기반 VQA를 적용했습니다. 이 결과는 양자 하드웨어에서 구현된 가장 대규모이자 가장 진보된 VQA 실행 중 하나였으며, 양자 컴퓨팅이 모더나의 연구에 기여할 수 있는 잠재력을 입증하는 사례였습니다.
2024년, 이 연구는 양자 2차 구조 시뮬레이션 분야에서 기록적인 규모를 달성했으며, 최대 80개의 큐비트와 최대 60개의 뉴클레오티드 길이의 mRNA 시퀀스를 포함했습니다. 제 지식 범위 내에서, 양자 컴퓨터에서 42개의 뉴클레오티드 시퀀스를 시뮬레이션한 사례는 이전에 없었습니다.
2025년 후반에 발표될 연구에서 연구원들은 회로 복잡성의 척도인 950개의 비로컬 게이트를 포함하는 최대 156큐비트의 문제 크기에 동일한 방법론을 적용했습니다. 그들은 또한 이러한 문제에 대한 새로운 접근법인 즉시 양자 다항식(IQP) 회로 기반 양자 최적화 기법을 제시했습니다. CVaR 기반 VQA와 유사한 이 접근은 공동 양자 고성능 컴퓨팅(HPC) 환경에서 양자 및 성능 리소스를 가장 효율적으로 사용할 수 있게 해줍니다.
단기적인 양자 지원 생명공학 파이프라인 구상
Moderna의 최종 목표는 기존 컴퓨팅을 양자 방법으로 대체하는 것이 아니라 단기적으로 양자 지원 생명공학 파이프라인을 구축하는 것입니다. “사람들은 양자 컴퓨터가 기존 기기를 능가하는 성능만을 생각하는 경우가 많습니다. 이것이 반드시 목표는 아닙니다. 양자 도구가 더 다양한 솔루션 세트, 즉 습식 실험실에서 생성하고 테스트할 수 있는 더 다양한 분자 세트를 제공할 수 있다면 가치도 있습니다"라고 Galda는 말했습니다. "고유한 특성을 지닌 이 추가 도구를 갖는 것은 워크플로의 핵심 병목 현상인 계산 문제에 매우 유용합니다. 제가 생각하기에 가장 현실적인 시나리오는 quantum이 우리의 고전적 계산을 보강하고 특정 분야에서 특정한 이점을 제공할 것이라는 것입니다."
IBM은 사회와 비즈니스가 직면한 가장 중요한 문제를 해결하기 위해 양자 방법과 기존 방법이 함께 작동하는 것을 목표로 합니다. 양자 중심 슈퍼컴퓨팅은 양 아키텍처와 고전 아키텍처 간의 문제를 나누는 역할을 하며, 한때 해결할 수 없었던 문제에 대한 결과를 신속하게 제공하는 서로의 능력을 강화합니다. IBM-Moderna 팀은 훨씬 더 큰 규모에서 2차 구조 문제에 대한 양자 중심적 접근 방식에 집중하고 있습니다.
Davis는 "IBM과의 협력은 중요한 연구 결과를 제공한 실적이 있는 회사와 파트너 관계를 맺을 수 있는 기회를 제공했습니다."라고 말했습니다. IBM이 양자 컴퓨팅 분야에서 기술 개발을 위한 명확한 로드맵과 해당 로드맵에서 이정표를 달성한 실적을 보유하는 것이 중요했습니다."
양자 컴퓨팅이 확장됨에 따라 Moderna는 mRNA 의약품을 통해 사람들에게 최대한 큰 영향을 미칠 수 있도록 준비하고자 합니다.
2010년에 설립된 Moderna는 과학, 기술 및 상황의 교차점에서 전례 없는 속도와 효율성으로 mRNA 의약품을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. mRNA 기술의 발전을 통해 Moderna는 의약품 제조 방식을 재구상하고 모든 사람을 위해 질병을 치료하고 예방하는 방식을 변화시키고 있습니다. 이 회사는 가장 초기이자 가장 효과적인 COVID-19 백신 중 하나인 Spikevax와 호흡기 세포융합 바이러스(RSV) 백신을 개발했습니다. Moderna의 mRNA 플랫폼은 전염병, 면역종양학, 희귀질환 및 자가면역질환에 대한 치료제 및 백신 개발을 가능하게 했습니다. 인간 상황의 미래를 책임감 있게 변화시키기 위해 Moderna의 가치와 사고방식을 기반으로 하는 독특한 문화와 글로벌 팀을 통해 회사는 mRNA 의약품을 통해 사람들에게 가능한 가장 큰 영향을 미치기 위해 노력하고 있습니다.
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