用于模拟光合作用复合体中耗散动力学的自适应低秩变分量子算法

《Scientific Reports》：Adaptive low-rank variational quantum algorithm for simulating dissipative dynamics in photosynthetic complexes

　　

摘要

通过精确的密度矩阵传播方法来模拟开放量子系统的动力学面临着指数级的复杂度，其复杂度为\(\mathcal{O}(4^n)\)，在经典硬件上，当色团数量超过大约15个时，该方法就变得难以处理——尽管有一些专门的方法，如纯态层次结构法（HOPS）、中间层次结构法（Meso-HOPS）以及多Davydov变分法，能够在特定情况下提高可处理性。我们开发了一种自适应的低秩变分量子算法（LR-VQA），通过基于奇异值分解的张量压缩以及经过设计的耗散成本函数，使得计算复杂度呈多项式级增长，即\(\mathcal{O}(n^{2.5}Rd)\)，从而提供了一个与量子硬件兼容的框架，可补充现有的经典技术。在对包含5–12个色团的Fenna–Matthews–Olson（FMO）复合物进行的50次独立试验中，该算法的平均保真度在0.87–0.95之间，95%置信区间低于0.001，这一结果通过单因素方差分析（ANOVA）得到验证（\(p<0.05\)）。利用IBM Heron噪声模型进行的实际模拟表明，这种算法在NISQ级别量子设备上也是可行的，对于7个色团的复合物，其保真度可达\(0.932\pm 0.001\)。对比分析显示，在色团数量为\(N=14\)时，计算方式会发生转变，此时LR-VQA是唯一可行的与量子硬件兼容的模拟方法，而精确的密度矩阵方法则因计算难度过高而无法使用。实验测得的能量传递时间尺度与该算法的结果相差在3%以内，证明了其物理准确性。此外，该算法的完整开源实现可在90秒内完成计算。这一框架为在量子生物学领域实现量子优势奠定了基础，同时也可扩展应用于非马尔可夫动力学以及包含50–300个色团的实验性光合作用天线系统。