混合量子-超级计算系统完成首个生物分子模拟全流程

一套完整的科学工作流程首次在世界最强大的超级计算机之一 Fugaku 与离子阱量子计算机 Reimei 之间贯通执行，标志着相关工作从基础设施建设迈向实际部署。该系统探索了发生在蛋白质等生物分子内部的化学反应，这类反应广泛存在于生物学过程中，从酶的功能到药物相互作用。

Quantinuum 在日本由 RIKEN（日本最大的综合性研究机构）运营的设施内安装了其 Reimei 量子计算机。作为日本新能源与产业技术综合开发机构（NEDO）委托的国家项目的一部分，该系统与超级计算机 Fugaku 完成集成。NEDO 是隶属于经济产业省的国家级研究与开发机构。

研究团队通过将经典超级计算与量子计算相结合，把计算化学的分层方法拓展到混合计算时代。超级计算机 Fugaku 负责几何结构优化以及基线电子结构计算。量子计算机 Reimei 则用于加强对反应活性位点中最棘手电子相互作用的处理；这些相互作用因已知会挑战传统近似方法而尤为困难。整个过程通过 Quantinuum 的工作流系统 Tierkreis 进行协调，使作业能够在不同机器之间高效流转。

要精确模拟生物分子反应极具挑战。化学反应发生的区域——“活性位点（active site）”——需要非常高的精度，因为细微的电子效应决定反应结果。与此同时，该活性位点又嵌入在更大的分子环境之中，这一环境同样必须被表征，但通常可以采用较低细节层级。

研究人员设计算法以专门发挥量子硬件与经典硬件各自的优势。首先，由经典计算机构建分子体系的近似描述。随后，使用量子计算机对经典计算机无法处理的精细量子力学过程进行建模。二者结合可提升精度，从而扩展经典系统的适用范围。

尽管本研究目前使用的是简化体系以聚焦方法学，但其为未来在 drug design、enzyme engineering 和 photoactive biological systems 方面的应用奠定了基础。对生物分子反应进行准确模拟仍是生物化学领域的主要挑战之一。

从短期来看，量子技术在生物医学中最可能带来的收益来自用于药物发现的量子-经典混合计算化学，尤其是可与经典基线严格对照验证的 de novo design 和 lead optimization。量子化学使研究人员能够探索在经典计算下难以处理的分子反应路径与结合行为，其中包括与神经退行性疾病以及血脑屏障相关的假设。

尽管具备完全容错能力、可大规模扩展的量子计算机仍在研发中，混合方法已使当下的量子硬件能够增强强大的经典系统，从而探索具有实际意义的应用。随着量子技术成熟，同样的工作流程也可相应扩展。

全球的高性能计算中心都在积极探索如何将量子设备整合进自身生态。通过展示跨异构量子-经典架构的协同作业调度、直接硬件访问以及工作流编排，本项工作提供了一个可实现此类整合的具体示例。对于日本的科研生态而言，这一首个应用里程碑表明，混合量子—超级计算正从愿景走向落地实施。