推动量子实用化！华大等利用量子计算首次精准模拟鸟类“导航蛋白”电子转移

近日，华大生命科学研究院牵头建设的基因组多维解析技术全国重点实验室联合香港中文大学（深圳）在知名学术期刊《化学科学》（

Chemical Science

研究团队开发了一种全新的量子-经典混合计算框架VQE-PDFT，并首次将其应用于复杂的生物蛋白体系，成功计算出欧洲知更鸟隐花色素蛋白（ErCRY4）中的电子转移率。这不仅验证了量子计算在解决生命科学复杂问题上的巨大潜力，更提供了理解生物体内量子效应的全新计算工具，为量子技术在生命科学领域的实用化发展奠定了关键基础。

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2月18日

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量子-经典混合架构“分工合作”，

突破传统计算瓶颈

在光合作用、酶催化、生物导航等生命过程中，都存在复杂的电子转移行为。这些过程往往具有“强关联”特性，对其开展精准计算研究，一直是生命科学领域的难点。传统计算方法难以兼顾计算精度与效率，而量子计算虽在理论上具备处理此类问题的天然优势，但受限于当前量子硬件的噪声水平，直接模拟复杂生物大分子依然困难重重。

为此，研究团队创新提出VQE-PDFT多尺度计算框架，采用“量子+经典架构分工合作”的策略，简单说就是把生物大分子活性中心最关键、最难、最容易卡住的那部分交给量子计算处理，其余部分由成熟的经典计算方法完成。这样既实现了对复杂电子结构的精准描述，又大幅降低了对量子硬件资源的需求，成功突破了传统计算方法的瓶颈。

VQE-PDFT多尺度计算蛋白质电子转移率流程示意图

浅层线路设计揭示鸟类迁徙的

“量子罗盘”之谜

候鸟为何能精准导航飞越半个地球？科学界普遍认为，这与鸟类视网膜中的隐花色素蛋白发生的电子转移有关。该蛋白也被称作鸟类迁徙的“量子罗盘”，通过量子纠缠效应来探测地球磁场变化。

为了把方法用到真实蛋白上，研究团队还专门设计了更“浅层”的量子电路，把电路深度从35层缩减到4–6层。电路越浅，量子逻辑门越少，运行时间越短，噪声也越不容易累积，也更适合在当前的量子硬件上稳定运行。

基于该框架，团队计算出ErCRY4蛋白中相邻色氨酸残基间的电子转移率。结果显示，在随机选取的20个蛋白构型上，计算结果与超快瞬态吸收光谱实验数据高度吻合，而传统计算方法得到的结果则相差约一个数量级。这意味着量子计算方法在真实生物体系中，首次得到了与生物实验相符的定量预测。

电子转移率计算结果，展示了该框架在模拟平台与超导硬件上的准确性

此外，团队还在真实的13比特超导量子芯片上做了验证，结果与模拟计算结果高度吻合。研究还发现，当前量子硬件存在的固有噪声会带来系统性误差，但研究中的计算方法本身能有效抵消部分系统性误差并取得相对可靠的电子转移率。这一发现证实了在含噪量子计算时代也能依托现有量子硬件开展高精度的生物化学计算。

本次研究是华大在“量子计算+生命科学”交叉领域的又一重要里程碑。VQE-PDFT多尺度框架的提出，不仅为复杂生物体系的模拟解析提供了全新的高精度工具，也标志着自主研发的量子算法在解决实际科学问题上迈出了坚实一步。

生命科学是量子技术应用落地的

前沿阵地

生命科学领域存在诸多具有重要科学意义和临床价值的计算问题。为突破这些问题的计算瓶颈，华大积极探索新型计算范式，推进量子技术在生命科学领域的应用落地。

作为深圳国际量子研究院的生态合作伙伴，华大生命科学研究院近日参与了，携手深港两地科研机构与产业力量，共同为量子科技产业与应用发展注入活力，共建粤港澳大湾区量子科技产业高地。

未来，华大将持续深化量子计算与生物化学、生物信息及多组学研究领域的交叉融合，重点聚焦“量子计算+细胞”“量子计算+基因”等关键应用场景，推动量子算法工具的模块化与标准化，并联合内外部资源，打造产学研用深度融合的创新生态，加速推动前沿量子计算技术应用于精准医学与全民健康领域的相关研究。

基因组多维解析技术全国重点实验室陈一博为该论文第一作者，黎宇翔、黄俊翰为论文共同通讯作者。本研究获得了深圳市孔雀团队项目以及广东省生命大数据工程技术研究中心的支持。

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