2026年7月13日——芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）、化学系与IBM共同开发的一个新型计算框架，结合了经典计算与量子计算的力量，揭示了分子复杂电子结构的内在机理。

该方法名为LASSQD（局域活性空间基于样本的量子对角化，Localized Active Space Sample-based Quantum Diagonalization），它将长期以来精确模拟分子的难题分解为更小的片段，然后采用量子采样技术进行求解，这使得混合算法能够解决更大的片段问题。

研究人员表明，尽管该方法在片段中产生的是近似解，但其结果在使用更小维度空间的情况下仍能保持高精度，并且可以在当前“有噪声”的量子计算机上运行，这类计算机尚不具备完全的纠错能力。

该研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上，可能有助于推动催化、能源和化学发现等领域的计算研究。该工作是IBM-芝加哥大学量子合作项目的一部分。

“这项工作表明，当前的量子硬件已经可以与成熟的量子化学方法整合。尽管当今的器件仍然有限，但它们在混合计算工作流程中已经可以发挥有用的作用，”该研究的合著者Laura Gagliardi教授表示。

用于理解分子的经典-量子混合工作流

理解分子的基态（能量最低的状态）对于研究化学反应和催化作用具有重要意义，而这两者是全球化学工业的基础。确定基态需要计算分子中电子的排列方式以及这些电子排布如何影响其能量。

这是一个极其困难的问题。像过渡金属化合物这类与能源和催化剂高度相关的分子，通常具有多种相互竞争的电子排布。精确描述这些系统需要求解薛定谔方程，该方程用于预测电子的量子力学行为。然而，获得精确解的计算成本呈指数级增长。

Gagliardi及其团队已经开发了多参考理论和方法来应对这一挑战。局域活性空间方法将分子空间划分为多个片段，并自洽地求解片段的薛定谔方程。通过组合各片段的解，该方法使得研究更大、更复杂的分子系统成为可能，同时保持比非片段化方法更高的精度。

为了探索当前量子计算机是否能够帮助提供更好的解决方案，Gagliardi的团队与IBM的研究人员展开了合作。

量子计算机天然适合模拟量子系统，因为它们处理信息所依据的量子力学原理与支配电子和分子的原理相同。但当前称为“含噪中等规模量子计算机”的量子计算机对环境干扰敏感，并且尚不支持大规模量子计算所需的完全容错纠错。

尽管如此，该团队还是与IBM的基于样本的量子对角化算法协同开发了一种方法来处理单个分子片段。量子计算识别出每个片段中最重要的电子排布，使得经典LAS方法能够解决比原本可行方案大得多的片段问题。该技术首先在经典计算机上进行计算；当方法需要量子计算时，团队会准备一个量子电路，并将其发送至IBM的量子计算机。当结果返回后，团队再以经典方式完成计算。

“结果仍然是近似的，但当你使用这种混合工作流时，精度并没有受到影响，”芝加哥大学PME研究生、该论文的第一作者Joanna (Qiaohong) Wang说。

利用量子计算的力量

该团队将该方法应用于几个含铁系统，包括金属有机框架（MOFs）中催化中心的模型，以及铁卟啉（一种工业上广泛使用的复杂过渡金属）的自旋间隙。这些概念验证研究表明，基于片段的计算在不需精确处理整个分子系统的情况下，保持了较高的精度。

未来或许可以在量子计算机上执行精确计算，但就目前而言，“这项工作表明，当前的量子硬件已经可以被纳入混合量子化学工作流程中。尽管当今的器件仍然有限，但当它们与稳健的经典方法结合时，已经能够对具有化学意义的计算做出贡献，”Gagliardi说，她同时也是化学系的Richard and Kathy Leventhal教授。

接下来，该团队正致力于改进该方法以降低计算成本。最终目标是利用量子计算的力量，对化学物质的行为产生新的见解或预测。

“用经典方法解决这些问题仍然需要巨大的计算成本，但量子计算最终将能够以量子力学的方式解决这些问题，而无需这样的成本，”Wang说，“我们证明了我们现在就能够利用当前的量子器件获得益处，但未来的能力将真正令人兴奋。”