中科大团队提出多尺度量子化学计算框架

光子盒研究院出品

近日，中国科大杨金龙院士团队针对计算化学问题提出了多尺度量子算法 (multiscale quantum algorithm) ，为利用含噪中型量子 (NISQ) 计算机解决实现的化学和材料问题提供了一个新的思路。
研究成果以《量子化学的多尺度量子算法 (Multiscale quantum algorithms for quantum chemistry)》为题，发布在英国皇家化学学会旗下的Chemical Science期刊上。

在使用高斯玻色子采样证明了量子优势后，探索量子计算机在材料设计和药物发现中的潜在应用正吸引着越来越多的关注。
然而，材料和（生物）分子模拟中的量子资源要求远远超出近期量子设备的能力。在这项工作中，多尺度量子计算被提出来：通过整合不同尺度分辨率的多种计算方法来进行复杂系统的量子模拟。

多尺度量子计算的结构示意图。(1）蛋白质-配体复合物分为两部分，包括分子和环境，分别由量子力学和分子力学原理描述；（2）分子进一步被分为片段。片段内和片段间的电子-电子相互作用分别由波函数理论和Hartree-Fock理论描述；（3）每个片段的分子轨道空间分为活动空间和冻结空间，分别对应静态和动态相关；（4）在量子计算机上计算活动空间中哈密尔顿的特征值和特征态；（5）利用后验校正计算动态相关。
在这个框架下，大多数计算方法可以在经典计算机上以有效的方式实现，而将计算的关键部分留给量子计算机。
量子计算的模拟规模在很大程度上取决于可用的量子资源。作为一个近期方案，实验团队在多体展开算法 (Many Body Expansion, MBE) 的框架内整合了自适应变分量子求解器算法 (VQE)、二阶 Moller-Plesset 方法和Hartree-Fock理论。

简要总结了可以集成在多尺度量子算法中的策略
这种新算法在经典模拟器上具有相当高的精度。团队表示，工作中提出的多尺度量子计算框架可以利用量子算法，当容错量子计算机成为现实时，可以提供量子优势，这样它在未来将优于经典的多尺度模拟方法。因此，多尺度量子计算框架为将量子计算机应用于复杂的材料和生物分子模拟提供了一个可行的策略。
来源：[1]https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/sc/d2sc06875c[2]https://mp.weixin.qq.com/s/6YxvM589ePsaeVr_GQ8YqQ

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