量子计算机模拟迄今最大分子结构中国科学报

量子计算机最具前景的应用方向之一是模拟蛋白质分子，助力新药研发，但目前量子计算机容错率低、运算误差大，尚难以独立胜任这项工作。如今，两台量子计算机在超级计算机的协同配合下，刷新了分子模拟纪录，成功测算出一款包含12635个原子的大分子各项理化特性。相关研究近日公布于arXiv。

模拟大分子包含12635个原子。图片来源：IBM

想要弄清药物分子的作用机制，就必须精准确定其电子的量子态与能量值。对于这类量子层面的运算，传统计算机大多只能得出近似结果。

美国克利夫兰医学中心、科技企业IBM与日本理化学研究所联合团队另辟蹊径，依托适配量子物理运算的量子计算机，研发出量子计算机+传统超级计算机的混合运算方案，成功完成两个超大分子模拟。其中一个分子的体量是以往量子计算机模拟最大分子的40倍。

团队成员、克利夫兰医学中心的Kenneth Merz表示：“这一直是我的研究梦想，如今终于得以实现。”

研究团队使用了分别部署于日本理化学研究所与克利夫兰医学中心的两台IBM“苍鹭”量子计算机，以及全球顶尖超级计算机“富岳”与“雅比G”。

团队选取两组研究成熟、在生物医学领域常用作基础研究范例的蛋白质-配体复合物作为模拟对象，同时在水环境体系中完成模拟，让结果更贴近实验室真实环境。

受限于算力规模与易出错的短板，现阶段纯量子计算机实用价值有限。为此，团队拆分了分子模拟运算任务，仅用量子计算机计算分子部分片段的特定理化参数，再将运算结果交由超级计算机处理，两类设备往复协同运算时长超100小时。IBM科研人员Jerry Chow表示，即便如此，这套混合方案依旧比纯传统计算机运算效率高。

这次模拟对分子最低能量值的测算精度，已达到主流经典运算方法水准，只是尚未形成绝对优势。

美国匹兹堡大学的刘俊宇（音）评价称：“该研究给出了极具参考价值的实操路径，依托现有商用硬件推进实用化量子计算十分难得，实验开展的规模也令人瞩目。”

刘俊宇认为，在研制出零误差量子计算机之前，这类混合运算模式值得大力推广。但目前仍存在一大待解难题：暂时无法通过严谨的数学论证，证实该混合方案能在各类场景下稳定实现运算性能超越，也就是稳定达成量子优势。

Chow坦言，这次创纪录的大分子模拟仅是起步，并非最终定论。“当下，整个行业都在不断突破现有技术边界。最让人振奋的是，量子计算实用化之路才刚刚拉开序幕。”