近日，量子计算公司Quantinuum与日本理化学研究所（RIKEN）联合实现了一项计算领域的重大里程碑：全球首个完整的科学工作流已成功在日本的超级计算机“富岳”（Fugaku）和Quantinuum的离子阱量子计算机Reimei之间无缝执行。
这一突破性进展标志着量子技术已跨越了单纯的硬件开发阶段，正式迈入与现有高性能计算（HPC）生态系统深度集成的实用化部署时代。
相关研究以《Quantum-HPC hybrid computation of biomolecular excited-state energies》为题，提交至Arxiv。
01. 攻克生物分子模拟的计算瓶颈
在现代化学和量子生物学（如酶工程和药物设计）中，精确模拟光诱导等复杂的生物分子化学反应是一项极具挑战性的任务。
这类反应发生的“活性位点”不仅分子尺度小，且伴随着极其强烈的电子强相关作用，需要极高的量子化学精度来解析；与此同时，该活性位点又被包裹在一个极其庞大的蛋白质或溶剂分子环境中。
传统的经典超算（HPC）虽然擅长处理大规模的环境建模，但在使用密度泛函理论（DFT）等近似方法处理活性位点的强相关相互作用时，往往面临算力瓶颈与精度不足的问题。
02. HPC与QPU的创新混合架构
为了解决上述难题，研究团队巧妙地运用了ONIOM分层计算框架，将计算任务进行了完美的“按需分配”。
经典超级计算机（HPC）“富岳”利用其强大的并行处理能力，承担了分子系统的几何优化以及庞大背景环境（如碳纳米管模型）的基础电子结构计算任务。
拥有全连接特性的20量子比特离子阱量子计算机Reimei，则犹如一把“尖刀”，专门负责攻克活性位点（如视网膜分子的异构化过程）中最复杂的电子相互作用。
整个计算过程的调度并非简单的人工拼接，而是通过Quantinuum的Tierkreis工作流系统实现了直接的硬件访问与异构架构间的自动化任务编排，确保了海量经典数据与量子计算结果的高效交互。
图｜图 | (a) 由活性位点和环境组成的生物分子系统的示意图。(b) 工作流程的典型示意图。活性位点用量子计算(QC)处理，而其他所有内容（包括计算密集的环境）在 HPC 上处理。这种分层方法能够对复杂的生物分子反应进行高效、准确的模拟。
值得一提的是，为了最大化混合计算的效能，研究人员不仅使用了硬件，还开发了一种基于时间演化量子选择性配置相互作用（TE-QSCI）的新型算法。
在针对视网膜分子模型的测试中，经典超算首先构建了一个初始的近似电子配置基线。随后，量子计算机接手执行TE-QSCI算法。
实验结果令人振奋：量子计算机高效地识别出了经典基线计算中遗漏的数千个关键“新”电子配置（例如在 S1 激发态计算中发现了2149个新配置）。
结合误差检测代码（iceberg code），该混合方法在计算分子激发态和基态能量时，实现了远超纯经典计算基线的保真度和精确度，其结果高度逼近精确的完全活性空间配置相互作用（CASCI）计算值。
图｜嵌入碳纳米管中视黄醛 S 态的测量结果 c（构型）的直方图。横轴表示构型指数，纵轴表示测量到每个构型的概率 p。红色条形表示由 TE-QSCI 识别的构型，灰色条形表示在经典基准计算中识别的构型。(a) 精确 CASCI 和(b)-(e) 来自 Reimei 的 TE-QSCI 结果，具有不同的时间步长。
03. 从基础设施到产业应用的范式转移
该项目由日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托推进，向全球展示了量子计算机与超级计算机并非替代关系，而是能够实现“1+1>2”的互补关系。
研究团队指出，虽然目前容错的大规模量子计算机仍在发展中，但量子-HPC混合计算已成为一种切实可行的操作现实。对于日本的研究生态系统而言，这一首个应用里程碑标志着混合量子超级计算正从愿景走向现实。
这项技术不仅为攻克量子生物学中的长期难题铺平了道路，随着未来量子硬件算力的进一步扩展，该工作流将直接惠及制药研发、光活性材料设计以及更广阔的精细化工领域.
