，2026年5月5日——克利夫兰诊所、日本理化研究所（RIKEN）及IBM（纽交所代码：IBM）的科学家们，利用IBM量子计算机及两台全球最强大的超级计算机，成功模拟了包含多达12,635个原子的蛋白质复合体。这是迄今为止利用量子硬件对具有生物学意义的分子进行的规模最大的模拟，标志着量子计算机正在成熟为有用的科学工具，能够帮助解决生物学、化学和生命科学领域的基础性问题。

该成果部分得益于一种创新算法，该算法优化了量子计算机与经典计算机的协作方式，这种框架被称为以量子为中心的超级计算。通过这种方法，该团队捕捉了两种生化相关蛋白质的行为，其规模比六个月前该方法最初所能实现的约大40倍。此外，在同一时期内，工作流程关键步骤中的模拟精度提升了高达210倍。

探索量子计算机是否能在蛋白质复合体模拟中发挥价值的决定，源于研究人员当前在研究候选药物如何与蛋白质结合时所面临的挑战。这可能是生命科学研究中最困难且成本最高的问题之一，并且随着分子尺寸增大，现有计算方法难以精确求解。在发现过程的早期阶段准确做到这一点，有望显著缩短药物开发时间，目前这一过程可能长达十年以上，且需要巨额投资才能生产出一种药物。

“这项研究标志着一项重要进展，并凸显了量子计算在与药物发现相关的系统上的新兴作用，”该研究的第一作者、克利夫兰诊所计算生命科学部门科学家肯尼思·默茨（Kenneth Merz，音译）博士表示。“通过突破12,000个原子的界限，我们显著扩展了量子计算所能实现的具有生物学意义的分子模拟规模，并展示了一种将这些方法应用于更大规模科学相关问题的框架。”

“多年来，量子计算一直是一个承诺。如今，量子计算机正在产出对科学有意义的成果，”IBM研究院主任兼IBM院士杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta，音译）表示。“我们这里模拟的系统是生物学家和化学家在现实世界中处理的那类分子。量子计算机不再只是证明它们是可行的工具——它们正在证明，在以量子为中心的超级计算架构中，它们能够贡献有意义的成果。”

这项突破性研究在一篇预印本研究报告中发表，建立在三个机构的一系列里程碑之上。这包括发表于《科学进展》（Science Advances）封面上的工作，该工作引入了模拟分子中电子态的技术，最初在硫化铁上得到验证，以及最近的303个原子基准分子Trp-cage——首个已知的由20个氨基酸组成的完整以量子为中心的模拟。

量子与经典计算机协同工作

这种方法——IBM称之为以量子为中心的超级计算——将量子处理器与经典计算机配对，使每种计算工具都能解决其擅长的问题部分。在这项工作中，经典计算机将蛋白质-配体复合体分解为可计算的片段。IBM的156量子比特IBM量子苍鹭处理器，运行于美国克利夫兰诊所和日本RIKEN的IBM量子计算机上，与两台最强大的经典超级计算机——RIKEN的Fugaku以及由东京大学和筑波大学运营的Miyabi-G——协同计算这些片段的量子力学行为。IBM量子硬件的性能对于计算的精度和成功至关重要，这需要在模拟的某些部分使用多达94个量子比特运行近6,000个量子操作。结果在经典计算机上重新组装，以获得分子的完整表示。

如arXiv上发表的论文所述，规模上的飞跃得益于算法创新和尖端计算基础设施的接入。这种新颖的量子-经典混合算法，命名为EWF-TrimSQD，大幅降低了计算开销，并加速了直接在量子硬件上表示这些分子系统化学特性的能力。因此，以量子为中心的超级计算所能达到的前沿被推向了以前无法触及的分子尺寸，并且有一条明确的路径可以进一步增加此类计算的规模和精度。

迈向药物发现的一步

该团队将这项工作视为一个起点。展望未来，能够以精度对分子系统进行规模化模拟，是朝着帮助研究人员更好地预测药物如何与蛋白质靶点相互作用迈出的一步。药物发现中的计算改进依赖于两个基本能力：首先，模拟生物过程展开时原子的运动；其次，精确计算其能量，这些结果为以量子为中心的超级计算能够支持这一点提供了证据。

随着量子计算机的发展，将其整合到计算工作流程中，可能为更大规模的能量计算提供更高的精度，并有可能为模拟酶催化剂、药物机制及其他目前只能通过实验研究的分子行为打开大门。

更广泛地说，这一突破标志着量子计算对科学的意义发生了转变。在其大部分历史中，量子计算领域一直以量子比特、门和错误率来衡量进展。现在，其能力也可以用它能帮助解决的问题的规模和重要性来衡量。