量子-经典超算协同架构突破化学模拟极限：基于Heron处理器和富岳超算的[4Fe-4S]团簇多体计算

研究人员针对当前量子计算机在化学模拟中面临的电路深度大、噪声干扰强等挑战，提出了一种量子-经典协同的样本量子对角化（SQD）方法。通过Heron超导处理器与富岳超算的联合运算，成功模拟了N2 解离及[2Fe-2S]、[4Fe-4S]团簇的基态性质（最大77量子比特/10,570门操作），实现了超越精确对角化极限的电子结构计算。该工作为误差容忍的量子化学模拟提供了新范式。

　　

在量子计算与化学模拟的交叉领域，如何突破传统精确对角方法（FCI）的维度限制一直是重大挑战。尽管量子处理器已发展到百比特规模，但受限于噪声积累和测量效率，单独运行复杂化学体系模拟仍面临巨大困难。传统耦合簇理论（CCSD）在处理强关联体系（如N₂
解离）时会出现严重偏差，而经典超算在模拟[4Fe-4S]等生物活性团簇时又面临维度爆炸问题。

来自IBM研究院和日本理化学研究所的团队在《SCIENCE ADVANCES》发表创新成果，提出量子-经典超算协同架构。该工作通过三大技术突破：① 基于LUCJ（局部酉耦合Jastrow）的量子电路设计，将3,500个双量子门压缩至Heron处理器；② 自洽构型恢复算法，通过轨道占据数修正将有效信号提取率从20%提升至2%；③ 分布式子空间对角化技术，在富岳超算上实现单次77比特/100万维度的并行计算。

【关键方法】
研究采用Jordan-Wigner变换将分子轨道映射至量子比特，通过LUCJ电路生成候选态。量子采样后，利用自洽恢复算法修正粒子数错误的构型（如[4Fe-4S]中54电子/36轨道体系），再通过分布式Davidson方法在6,400个节点上完成子空间对角化。能量-方差分析验证了基态收敛性，并通过与热浴构型交互（HCI）方法的对比验证精度。

【RESULTS】

1. N₂
   三重键解离：在cc-pVDZ基组下，58量子比特电路成功复现解离曲线，误差<10 mE_h
   ，解决了CCSD在静态关联区域的失效问题。
2. [2Fe-2S]团簇：45量子比特实验获得与DMRG吻合的基态能量（TZP-DKH基组），方差分析显示三个低能态收敛轨迹。
3. [4Fe-4S]立方烷：77量子比特系统处理3.5k双量子门电路，能量误差较均匀采样降低60%，验证了噪声环境下算法的鲁棒性。

【讨论与意义】
该研究首次实现了超越经典精确对角化极限的量子化学模拟，为生物酶活性中心（如固氮酶FeMo-co）的模拟开辟了新路径。LUCJ电路与自洽恢复算法的结合，使得在现有含噪量子处理器上获得化学精度结果成为可能。未来通过优化轨道基组和扩展CSF（组态态函数）采样，有望进一步解决自旋污染问题。这项工作标志着量子-经典混合计算正式进入实用化学模拟的新阶段。