迄今最大规模「量超融合计算」，实现12,635个原子蛋白质模拟

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（来源：量子客）

近日，来自克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）、日本理化学研究所（RIKEN）和IBM的联合研究团队成功模拟了包含12,635个原子的蛋白质复合物，创下了迄今为止规模最大的异构量子-经典（HQC）计算纪录。

这一里程碑式的成果不仅将模拟的系统规模提升了40倍（相比于四个月前303个原子的Trp-cage微型蛋白模拟），还在特定工作流程中实现了高达210倍的精度提升。

相关研究以《Crossing the 12,000-atom barrier with heterogeneous quantum-classical supercomputing: quantum chemistry of protein-ligand complexes》为题，提交至Arxiv。

此次研究模拟了两种具有重要生物学意义的蛋白质：参与人体消化过程的胰蛋白酶（Trypsin，12,635个原子）和参与免疫系统降解细菌细胞膜的T4溶菌酶（T4-Lysozyme，11,608个原子）。

与以往仅模拟孤立蛋白质的研究不同，本次模拟将蛋白质与其结合配体置于液态水溶液环境中，从而更真实地反映了极其复杂的天然生物学相互作用场景。

这一空前规模的模拟得以实现，归功于算法层面的重大改进以及量子与经典硬件的深度融合。

传统的基于波函数的嵌入（EWF）方法在处理庞大分子时，由于需要构建高度纠缠的轨道“bath”，其计算成本（如MP2计算）随着分子规模的增加呈指数级增长，因而在计算上是不切实际的。

研究团队发现，电子的相互作用在这些大分子中具有高度局域性：超过7到10埃（angstroms）距离之外的电子信息，对量子力学层面的影响微乎其微，纠缠在这一距离已经消失。

基于此，他们将环境构建限制在以每个原子为中心的球形区域内，大幅消除了全系统规模的计算瓶颈。

图｜ 蛋白质全景与“空间截断”物理原理图。（A）研究的系统（B）采用的总体算法（C）方案片段的表示（D）本工作中引入的较低尺度片段构造的细节。（来源：Arxiv）

同时，团队开发了一种名为TrimSQD（基于样本的量子对角化）的新方法。

面对随系统规模呈组合级爆炸式增长的电子构型，TrimSQD能够将巨大的搜索空间划分为多个子空间进行独立处理，有效剔除了无用的电子构型（理论化学家称之为“deadwood”，枯木），并精确锁定了决定分子状态的关键构型（“livewood”，活木）。

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TrimSQD算法创新工作流对比图。Ext SQD（左）、 Trim SQD（中）、本研究的核心创新以浅黄色标记（右）（来源：Arxiv）

此次研究堪称量子-经典超级计算（QCSC）架构在实际应用中的典范。

团队动用了极其庞大的计算资源。任务被分布在两台156量子比特的IBM Quantum Heron r2处理器（位于克利夫兰诊所的ibm_cleveland和位于RIKEN的ibm_kobe）上进行。

在100多个小时内，研究人员最多使用了94个量子比特，运行了9,200个量子线路，收集了惊人的13亿次测量结果。

随后，极其繁重的子空间对角化计算被交给了两台顶级超级计算机 RIKEN的Fugaku（富岳，基于CPU）和东京大学及筑波大学运营的Miyabi-G（基于GPU）。

通过优化的大规模分布式线性代数内核，该系统在经典超算上实现了72.5%的高效并行执行。

图｜随着分子系统规模（Full CI space dimension）呈指数级扩大，TrimSQD方法相比于此前的ExtSQD方法在精度上取得巨大优势，在特定工作流程中实现了高达210倍的精度提升。（来源：Arxiv）

克利夫兰诊所的Kenneth Merz博士指出：“经典计算的进步步伐目前正在放缓，如果业界渴望在化学建模能力上再实现一到两个数量级的跨越，量子计算极有可能是一条必由之路。”

这项研究首次证明了，通过巧妙整合量子处理器与经典超级计算机，量子计算已经可以成为探索复杂真实化学问题的实用工具。

随着具有更高保真度的容错量子计算机（如预计于2029年面世的IBM Quantum Starling）的发展，现有的工作流不仅可以直接移植，其计算能力还将迎来更进一步的跃升。

Merz博士表示：这种工作流程很快将超越传统方法，有望加速药物研发、材料科学以及更广泛的化学研究领域的进步，最终实现“更快更好的救命药物”和“适用于家庭科技或国家基础设施的更优质材料”。

引用：

[1]https://www.ibm.com/quantum/blog/cleveland-clinic-riken-chemistry

[2]https://arxiv.org/abs/2605.01138

[3]https://quantumzeitgeist.com/ibm-210x-accuracy-boost-12635-atom/