[논문 리뷰] Coarse-grained lattice protein folding on a quantum annealer

Tomáš Babej, Christopher Ing외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 02.

Cellular Automata and Applications참고 문헌 16인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 양자 안일러를 통한 격자 단백질 접힘을 위한 향상된 이징 해밀토니안 인코딩을 제안하며, D-Wave 2000Q를 사용하여 평면 격자상에서 10개의 잔기로 구성된 치그놀린과 입방 격자상에서 8개의 잔기로 구성된 트립-케이지의 효율적 접힘을 가능하게 한다. 치그놀린의 경우 시간-해결 시간(Time-to-solution, TTS)이 0.377초, 트립-케이지의 경우 3.805초를 기록하여 3차원에서의 양자 안일러 기반 격자 단백질 접힘 분야에서 새로운 기록을 수립하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장수열의 격자 단백질 접힘 문제의 계산 비가역성을 극복하기 위해 양자 안일러를 활용하고자 한다.
• 평면 격자 접힘 모델을 더 높은 구조 정확도를 확보하기 위해 3차원 입방 격자로 일반화하고자 한다.
• 최적화된 이징 해밀토니안 인코딩을 통해 양자 회로 복잡도를 이차형에서 준선형형으로 감소시켜 자원 효율성을 향상시키고자 한다.
• D-Wave 2000Q 아키텍처에 맞는 작은 부분 문제들로 큰 문제를 분할함으로써 더 큰 단백질의 스케일러블 접힘을 가능하게 하고자 한다.
• 다양한 잔기 상호작용과 실제 공간 제약 조건을 포함한 평면 HP 모델을 초월한 단백질 접힘에서의 양자 안일러의 실현 가능성을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 특정 경우에 대해 양자 회로 복잡도를 이차형에서 준선형형으로 감소시키는 새로운 이징 타입 해밀토니안 인코딩을 개발하여 자원 효율성을 향상시켰다.
• 실제 단백질 3차원 구조를 더 잘 반영하고 에너지 최소화 정확도를 향상시키기 위해 접힘 모델을 3차원 입방 격자로 확장하였다.
• D-Wave 2000Q의 2048 큐비트 치미어 그래프의 제한된 연결성에 맞게 큰 단백질 접힘 문제를 맵핑하기 위해 히우리스틱적 부분 문제 분해 전략을 구현하였다.
• 성공 확률 향상과 시간-해결 시간(TTS) 감소를 위해 역방향 안일러 및 단일 스핀 반전과 같은 후처리 기법을 사용하였다.
• 양자-고전 하이브리드 접근법을 활용: 양자 안일러가 저에너지 구조를 식별하고, 이를 고정력 기반 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 정밀 조정하였다.
• 큐비트 맵핑을 위해 이진 격자 좌표 체계를 사용하였으며, 자가 피하기 조건과 고정된 잔기 간격(3.8 Å)을 강제하는 제약 조건을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 안일러를 사용하여 3차원 공간에서 격자 단백질을 접을 수 있는가? 이는 평면 모델 대비 더 높은 구조 정확도를 제공할 수 있는가?
• RQ2 격자 단백질 접힘에 적합한 이징 해밀토니안 인코딩을 최적화하여 양자 회로 복잡도를 이차형에서 준선형형 스케일링으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 현재 세대의 양자 안일러에서 치그놀린과 트립-케이지와 같은 작은 단백질의 접힘에 대해 달성 가능한 성공 확률와 시간-해결 시간은 얼마인가?
• RQ4 큰 단백질 접힘 문제는 D-Wave 2000Q의 하드웨어 제약 조건에 맞는 부분 문제들로 어떻게 분해할 수 있는가?
• RQ5 작은 시퀀스를 초월한 단백질 접힘에서, 양자 안일러는 고전적 방법보다 저에너지 구조를 더 효과적으로 찾을 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 양자 안일러를 사용하여 입방 격자상에서 단백질 접힘에 성공한 최초의 사례를 기록하였으며, 양자 하드웨어를 활용한 3차원 격자 접힘의 실현 가능성을 입증하였다.
• 치그놀린(10개의 잔기)은 평면 격자에서 접힘되었으며, 시간-해결 시간(TTS)이 0.377초로, 양자 안일러 기반 격자 단백질 접힘 분야에서 새로운 기록을 수립하였다.
• 트립-케이지(8개의 잔기)는 입방 격자에서 접힘되었으며, 정답 해를 포함한 부분 문제 내에서 성공 확률가 0.099였고, 시간-해결 시간(TTS)은 3.805초였다.
• 전체 성공 확률는 2.42×10⁻⁵였으며, 지구 상태를 99%의 신뢰도로 발견하기 위해 약 190,262회의 샘플링이 필요했다.
• 향상된 해밀토니안 인코딩 덕분에 특정 경우에서 양자 회로 복잡도가 이차형에서 준선형형 스케일링으로 감소되어 자원 효율성이 향상되었다.
• 이 알고리즘은 다수의 양자 처리 장치(QPUs)를 통해 병렬 실행이 가능하여, 향후 분산 실행 기반의 확장성 향상이 가능하다.