量子超算：化學研究新利器

一臺量子計算機與一臺傳統超級計算機協作，有望成為理解化學物質的寶貴工具。IBM與日本理化學研究所（RIKEN）的合作，已為這條道路鋪下了一塊基石。

預測分子在化學反應中的行為（例如，作為藥物或工業催化劑的一部分），關鍵在于理解其電子的量子態。量子計算機可以加速計算這些量子態的過程，但自前的技術仍容易出錯，而傳統超級計算機能在錯誤影響結果前發現并修正它們。

RIKEN的柚木清司（SeijiYunoki）和佐藤三久（MitsuhisaSato）在《新科學家》（NewScientist）的聯合聲明中表示，量子計算機能推動傳統計算機突破能力極限。如今，他們與團隊利用IBM的Heron量子計算機和RIKEN的“富岳”超級計算機，成功模擬了氮分子以及兩種不同的鐵硫化合物分子。

研究人員使用了多達77個量子比特，并采用名為SQD的算法，將計算分子量子態的任務分配給兩臺機器。量子計算機負責核心計算，超級計算機則負責實時檢查和修正錯誤。

IBM的杰伊·甘貝塔（JayGambetta，未參與實驗）表示，這種混合方法自前尚未超越超級計算機單獨運算的最佳表現，但已能與某些標準方法媲美。“現在，關鍵在于比較不同計算工具的效率。”

美國俄亥俄州克利夫蘭診所計算生命科學中心的肯尼思·默茨（KennethMerz）認為，現階段這種“雙機協作”是讓易出錯的量子計算機真正“駕馭”化學的關鍵所在。他的團隊利用另一臺與經典計算機聯動的IBM量子計算機，改進了SQD算法，使其能模擬溶液中的分子—這比以往的模型更貼近真實化學實驗環境。

默茨認為，未來一年內，進一步優化SQD算法將使“量子 + 傳統計算”的組合比傳統計算更具切實優勢。

“量子計算與超級計算的結合不僅值得嘗試一更是大勢所趨。”英偉達的山姆·斯坦威克（SamStanwyck）說道。他認為，量子計算的現實應用方式，是將量子處理器集成到超級計算中心的經典計算系統中。英偉達已開發了支持此類混合計算的軟件平臺。

微軟的阿西姆·達塔爾（AseemDatar）也表示，該公司看好“在化學和材料科學領域中，量子計算、超級計算與人工智能結合帶來的巨大潛力”。

然而，盡管行業大力推動這一方向，挑戰依然存在。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的馬庫斯·賴厄（MarkusReiher）指出，RIKEN的實驗結果令人鼓舞，但我們仍不確定這種方法能否成為量子化學計算的主流。一方面，量子-超算組合的最終結果尚待驗證；另一方面，現有的傳統計算方法已經非常成熟且高效。

引入量子計算的愿景是模擬更龐大的分子或實現更快的計算速度，但賴厄認為，新方法的規模化擴展可能面臨困難。

甘貝塔透露，IBM新一代Heron量子計算機已于2025年6月入駐RIKEN，其錯誤率低于舊型號。他預計硬件性能在未來還可以有所提升。

這一研究團隊也在優化SQD算法，并改進Heron與“富岳”的協作方式，以提高整體效率。默茨將現狀比作20世紀80年代的傳統超級計算面臨的場景：懸而未決的問題眾多，但新技術的引入可能帶來巨大的回報。 0