[論文レビュー] Coarse-grained lattice protein folding on a quantum annealer

Tomáš Babej, Christopher Ing+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

Cellular Automata and Applications参考文献 16被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、量子アニーリングマシンを用いた格子タンパク質折りたたみのための改善されたイジングハミルトニアン符号化を提示している。この手法により、D-Wave 2000Qを用いて平面格子上での10残基のChignolinと立方格子上での8残基のTrp-Cageの効率的折りたたみが可能となった。Chignolinの時間から解決までの時間（TTS）は0.377秒、Trp-Cageは3.805秒であり、3次元格子タンパク質折りたたみにおける量子アニーリングベースの記録を樹立した。

ABSTRACT

Lattice models have been used extensively over the past thirty years to examine the principles of protein folding and design. These models can be used to determine the conformation of the lowest energy fold out of a large number of possible conformations. However, due to the size of the conformational space, new algorithms are required for folding longer proteins sequences. Preliminary work was performed by Babbush et al. (2012) to fold a small peptide on a planar lattice using a quantum annealing device. We extend this work by providing improved Ising-type Hamiltonian encodings for the problem of finding the lowest energy conformation of a lattice protein. We demonstrate a decrease in quantum circuit complexity from quadratic to quasilinear in certain cases. Additionally, we generalize to three spatial dimensions in order to obtain results with higher correlation to the actual atomistic 3D structure of the protein and outline our heuristic approach for splitting large problem instances into smaller subproblems that can be directly solved with the current D-Wave 2000Q architecture. To the best of our knowledge, this work sets a new record for lattice protein folding on a quantum annealer by folding Chignolin (10 residues) on a planar lattice and Trp-Cage (8 residues) on a cubic lattice.

研究の動機と目的

• 長鎖タンパク質折りたたみの計算的非可解性を量子アニーリングを用いて克服すること。
• 平面格子折りたたみを三次元立方格子に一般化し、構造的正確性を向上させること。
• 最適化されたイジングハミルトニアン符号化により、量子回路の複雑性を二次的から準線形に低減すること。
• D-Wave 2000Qアーキテクチャに適合する小規模な部分問題に大規模なインスタンスを分割することで、より大きなタンパク質のスケーラブルな折りたたみを可能にすること。
• マルチリジド相互作用や現実的な空間的制約を含む、平面HPモデルを超えたタンパク質折りたたみにおける量子アニーリングの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 特定の状況において回路複雑性を二次的から準線形に低減する、新しいタイプのイジングハミルトニアン符号化を開発し、リソース効率を向上させた。
• 実際のタンパク質3次元構造をよりよく反映させ、エネルギー最小化の精度を向上させるために、折りたたみモデルを三次元立方格子に拡張した。
• D-Wave 2000Qの2048キュービットのチメラグラフ（接続性が限られている）に大規模なタンパク質折りたたみ問題をマッピングするためのヒューリスティックな部分問題分解戦略を実装した。
• 成功確率の向上と時間から解決までの時間（TTS）の低減を図るために、リバースアニーリングおよび単一スピン反転などの後処理技術を用いた。
• 古典的・量子的ハイブリッドアプローチを採用：量子アニーリングが低エネルギー状態を特定し、その後制約に基づく分子動力学シミュレーションで精錬した。
• キュービットマッピングに2値グリッド座標系を用い、自己回避性と固定されたリジド間隔（3.8 Å）を格子上に強制する制約を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子アニーリングは、平面モデルよりも構造的忠実性を向上させる三次元空間における格子タンパク質折りたたみに効果的に適用可能か？
• RQ2 イジングハミルトニアン符号化を最適化することで、格子タンパク質折りたたみにおける回路複雑性を二次的から準線形スケーリングに低減可能か？
• RQ3 現在の世代の量子アニーリングマシン上で、Chignolin や Trp-Cage のような小規模タンパク質の折りたたみにおける達成可能な成功確率と時間から解決までの時間（TTS）はどの程度か？
• RQ4 大規模なタンパク質折りたたみ問題は、D-Wave 2000Qのハードウェア制約に適合する部分問題にどのように分解可能か？
• RQ5 小スケールの配列を超えた格子タンパク質の低エネルギー状態を探索する際、量子アニーリングは古典的手法を上回る性能を示せるか？

主な発見

• 著者らは、量子アニーリングマシンを用いた立方格子上でのタンパク質折りたたみの初の成功を達成し、量子ハードウェアを用いた3次元格子折りたたみの実現可能性を示した。
• Chignolin（10残基）は平面格子上で折りたたまれ、時間から解決までの時間（TTS）は0.377秒であり、量子アニーリングベースの格子タンパク質折りたたみにおいて記録を更新した。
• Trp-Cage（8残基）は立方格子上で折りたたまれ、TTSは3.805秒であり、正しい解を含む部分問題内での成功確率は0.099であった。
• 全体の成功確率は2.42×10⁻⁵であり、基底状態を99％の信頼度で発見するには約190,262回のサンプリングが必要であった。
• 改善されたハミルトニアン符号化により、特定の状況において量子回路の複雑性が二次的から準線形に低減され、リソース効率が向上した。
• アルゴリズムは本質的に並列処理可能であり、複数の量子プロセッシングユニット（QPUs）を介した分散実行により、将来的なスケーラビリティが可能である。