中国科学家：实现1000量子比特最大规模化学模拟

近日，由多个机构组成的中国科学家团队实现了高达1000个量子比特的化学模拟，在新的神威超级计算机上实现了216.9 PFLOP/s的性能，将量子化学的量子计算模拟推向了最高点。

相关研究以“Towards practical and massively parallel quantum computing emulation for quantum chemistry”为题已发表于《Nature-npj Quantum Information》期刊，该期刊致力于发表有关量子信息的最佳研究，包括量子计算、量子通信和量子信息理论。

01. 超越NISQ时代

计算正在彻底改变化学和材料科学，通过近似求解薛定谔方程计算电子结构使我们能够在原子尺度上探索化学物质和材料。

然而，在量子多体系统的数值模拟中追求化学准确性是一个长期存在的问题，因为计算复杂性随着系统规模呈指数增长。

量子计算正在超越早期阶段，并在化学和生物医学科学中寻找商业应用。在当前含噪中等规模量子计算时代（NISQ），量子资源过于稀缺，无法支持这些探索。

因此，在经典计算机上模拟量子计算以开发量子算法并验证量子硬件具有重要价值。

然而，现有的模拟器大多受到内存瓶颈的困扰，因此开发大规模量子化学计算的方法仍然具有挑战性。

npj Quantum Information报道的研究中，研究人员展示了一种基于矩阵乘积状态和嵌入理论的高性能和大规模并行变分量子本征求解器（VQE）模拟器，用于在高性能计算平台上解决大规模量子计算模拟化学问题。

研究人员将这种方法应用于研究乙烷的扭转能垒和蛋白质-配体相互作用的量化，最大模拟达到了1000个量子比特，并在新的神威超级计算机上实现了216.9 PFLOP/s的性能，这将量子化学的量子计算模拟推向了最前沿。

图1｜量子计算化学模拟器的框架：a量子化学的量子计算仿真的概念图。b VQE 模拟器使用矩阵乘积态 (MPS) 表示 DMET 中每个片段的量子态。c实际化学系统的 DMET 计算程序

02. 加速60多倍，扩至1000个量子比特

变分量子本征求解器 (VQE) 是解决 NISQ 设备上的量子化学问题的有吸引力的候选者，它在选择量子电路分析和减轻错误方面具有很大的灵活性。

然而，与随机线路采样(RCS) 和量子蒙特卡洛 (QMC) 实验相比，具有数十个量子比特的 VQE 模拟对于量子硬件来说更具挑战性。

(1) 随着量子比特数增加 10，线路深度迅速扩展到 10^3甚至更多；

(2) 具有大量参数的非线性优化显著增加了计算成本。

因此，在量子计算机上进行的最大VQE实验仅使用了12个量子比特，当前使用经典模拟器进行的VQE模拟也主要限于具有10-20个量子比特的相对较小分子。

作为一种启发式的量子算法，VQE的准确性和性能需要在实际应用中进行验证。

VQE 旨在解决的问题，即寻找量子多体哈密顿量的基态，其计算复杂度通常随问题规模呈指数增长。因此，使用大约 20 个量子比特的简单分子的小规模模拟很难证明 VQE 在实际应用中的强大功能。

HPC 上的 MPS-VQE 的主要计算瓶颈是高级线性代数求解器的实现，例如奇异值分解 (SVD)。

本研究通过优化的 SVD 和张量运算算法克服了这个瓶颈。对于 100 到 500 的矩阵大小，单侧 Jacobi SVD 平均比未优化版本快 60 多倍。在这项工作中，MPS-VQE 模拟器可扩展至 1000 量子比特用于单次能量评估，可扩展至 92 量子比特用于融合 VQE 仿真。

图3｜线性代数例程的算法细节。a 神威多核处理器的架构。b 神威多核处理器上的矩阵乘法。c 在神威多核处理器上的单侧 Jacobi SVD算法。

图4｜线性代数例程的性能结果。张量收缩与矩阵大小的性能比较. b SVD与矩阵大小的性能比较, 这是在一个包含1个MPE和64个CPE的CG上评估的. c 用MPS-VQE模拟器计算氢气链的时间.d 新一代神威超级计算机上与DMET集成的MPS-VQE模拟器的性能（PFLOP/s）和强大的扩展性。

03. 最大规模量子化学模拟

报告展示了其 MPS – VQE 和 DMET – MPS – VQE 模拟器在研究现实化学系统中的应用。

一个例子是乙烷的扭转势垒，这是生物大分子构型分析中最基本的问题之一。图 5 显示了 MPS-VQE 模拟器获得的乙烷分子扭转势垒的结果。C-C 和 C-H 的键长分别设置为 1.512 和 1.153 Å;。使用具有所有 16 个轨道的 STO – 3 G 基组（32 个量子比特，获得的扭转势垒为 0.29 e V，高于实验值 0.13 e V。使用 6 – 31 G(d) 基组将势垒降低至 0.20 e V，即使只有 6 – 轨道 – 电子的小活动空间。因此，预计使用更大的基组可以进一步提高模拟精度。

作为预期的应用，报告应用 DMET – MPS – VQE 模拟器来研究蛋白质-配体相互作用的量化，这是一个大规模的实际生化问题。与经典计算相比，量子力学计算可以自动包括极化、电荷转移、电荷渗透和各种项的耦合的影响，从而提供有关蛋白质-配体相互作用性质的更准确和详细的信息。这在高精度结合亲和力预测以及药物设计中非常重要。

通过模拟得出结论，模拟和实验之间的相关性相当好。论文展示计算的最大的分子Atazanavir包含103个原子和378个电子，这是目前所知的用模拟器研究的最大的系统。