克里夫蘭診所 RIKEN IBM 模擬逾 12,000 原子蛋白質 動用 94 qubits

克里夫蘭診所（Cleveland Clinic）、RIKEN 及 IBM 的研究人員完成了迄今規模最大的量子-經典化學模擬，模擬超過 12,000 個原子的蛋白質-配體系統。此工作標誌著量子電腦與經典超級電腦結合，用於研究現實世界化學問題的重大規模提升。團隊模擬了兩個生物相關蛋白質 T4-Lysozyme 及 Trypsin，以及它們結合的分子，在真實水環境中進行。

最大系統達到 12,635 個原子及約 30,000 個軌域，遠超先前量子計算化學示範。此結果僅在研究人員模擬較小 303 個原子蛋白質數月後達成，新工作代表系統規模增加 40 倍，並在工作流程關鍵部分準確度提升 210 倍，突顯該領域快速進展。

量子遇上真實化學

為達成此目標，研究人員結合量子處理器與高性能經典系統，創造他們描述為量子中心超級運算工作流程。量子硬體處理計算最複雜部分，而經典超級電腦則將結果整合。團隊使用兩個量子處理器上的最多 94 個量子位元執行抽樣，運行 9,200 個電路超過 100 小時，收集 13 億個測量結果。量子數據隨後使用強大經典系統處理，包括日本 Fugaku 超級電腦。「這結果是夢寐以求的事，」領導研究的 Kenneth Merz 博士表示。

此方法基於將大分子分解為較小可管理叢集的技術。經典電腦解決較簡單區域，而量子系統處理最糾纏及計算最難部分。結果再重新組合，產生分子整體圖像。 研究人員亦引入經典及量子技術改進。其中關鍵步驟涉及精煉系統辨識分子哪些部分需詳細量子處理，降低整體計算成本。另一進展來自新量子演算法，提升辨識相關電子組態方式。此有助系統聚焦分子行為最重要部分，忽略較不有用數據。儘管進展，此方法尚未超越最佳經典方法。

然而，它證明量子系統已可貢獻有意義科學問題，特別與現有計算基礎設施整合時。「若想再提升一個或兩個數量級，量子計算可能是途徑，」Merz 表示。研究結果顯示，混合量子-經典工作流程可成為化學實用工具，尤其量子硬體持續改善。未來系統預期能以更高準確度處理更大更複雜分子。潛在應用重大。更準確模擬可加速藥物發現、改善材料設計，並減少昂貴實驗室實驗需求。此研究突顯結合量子處理器與經典計算資源，或定義高性能運算下一階段，提供解決目前難題途徑。