**Lockheed Martin 与 IBM 合作，在新研究中结合量子计算与 HPC**
研究人员使用基于样本的量子对角化 (SQD) 进行化学模拟，SQD 是近期量子优势演示的首选方法。
日期：2025 年 5 月 22 日 作者： Javier Robledo-Moreno Gavin Jones Roberto Lo Nardo Robert Davis
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在《The Journal of Chemical Theory and Computation》上发表的一篇新论文中，来自 IBM Quantum® 和 Lockheed Martin 的研究人员展示了量子计算机如何帮助准确地模拟某些分子的电子结构。这些所谓的“开壳层”分子包含一个或多个未配对的电子，使得仅使用经典方法难以模拟。
这项新研究标志着基于样本的量子对角化 (SQD) 技术首次应用于开壳层系统，这是量子化学及其在航空航天、传感和材料设计中的应用的一个重要里程碑。IBM® 的研究人员认为，SQD 是近期量子优势演示的首选方法，因为它允许研究人员结合高性能量子计算机和高性能经典计算机的优势，来解决有趣的模拟问题。
为什么现在要进行化学量子计算？
长期以来，量子化学一直是量子计算最有希望的应用之一。许多化学系统，特别是那些涉及强电子关联的系统，例如过渡金属、自由基物质、过渡态或激发态，都非常难以使用经典的高性能计算进行模拟。
使用经典计算机精确建模这些系统的计算成本随着相互作用的电子数量呈指数增长，使得即使对于相对较小的分子，精确解也几乎无法获得。虽然有一些经典的近似方法可以模拟具有强电子关联的化学系统，但这些方法的计算成本很高。
这就是量子计算机可以发挥作用的地方。在量子计算机上运行的量子化学模拟可以准确地计算这些系统的电子结构和能量，作为经典方法的替代方案。随着量子计算机向容错性发展，它们有可能比任何经典近似方法更准确、更大规模地模拟强关联系统。
计算化学中一个特别重要的量是分子电子态之间的能量差，例如单线态和三线态之间的能隙——稍后会详细介绍这些。这些电子跃迁在从化学反应性和光化学到材料特性和分子传感等各个方面都起着核心作用。
准确计算跃迁能量使科学家能够：
- 预测催化和燃烧反应中的反应性和机理
- 设计具有定制光学或电子特性的分子，例如荧光探针或太阳能吸收器
- 模拟用于传感、显示技术或航空航天应用中的材料中的激发态行为
- 在测量困难、危险或昂贵的情况下，对实验进行基准测试和验证
但是，准确计算跃迁能量也极具挑战性。随着分子变得越来越复杂，电子之间可能发生的相互作用数量（即电子关联）呈指数增长。准确地捕获这些相互作用，特别是当电子强烈相关或未配对时（如在自由基物质中），会将经典计算方法推向极限。
当我们处理开壳层分子时，事情变得_更_具挑战性，即在其电子构型中具有未配对电子的分子。闭壳层分子往往具有相对简单、稳定的波函数，因为所有电子都配对在轨道中。开壳层系统更为复杂。它们可以表现出磁性、高反应性和复杂的“多参考”电子结构，在这种结构中，我们必须依靠多个波函数来捕获完整的复杂性。这些特征使开壳层系统在燃烧化学、催化和大气科学等领域中非常重要，但也使它们难以准确建模。
开壳层物种包括自由基、过渡金属配合物和化学反应中的中间态。由于它们的未配对电子产生了丰富但难以捕获的关联结构，传统的经典方法常常难以处理它们——要么过度简化物理现象，要么需要大量的计算资源。
这正是量子计算显示出希望的地方。量子算法直接编码和处理电子纠缠的能力使它们在处理开壳层系统方面具有优势。当集成到 IBM 的以量子为中心的超级计算架构中时——该架构将量子处理器与强大的经典资源紧密结合——这些方法可以帮助研究人员比以往任何时候都更高精度和可扩展性地模拟开壳层分子。
最终，这一进展支持广泛的应用，从了解内燃机中的反应机理到设计新型材料和分子传感器。这正是 Lockheed Martin 和 IBM 打算通过最近的 CH2 研究解决的挑战类型。
为什么亚甲基很重要以及关键结果
亚甲基，或 CH2，只有三个原子。然而，虽然它可能看起来像一个简单的分子，但由于其高反应性，它在燃烧排放、大气化学和星际过程中发挥着关键作用，并且它在燃烧和有机化学的链式反应中至关重要。
从电子结构的角度来看，CH2 是由一个碳原子和两个氢原子组成的分子。在其基态中，CH2 是一种双自由基，它采用三重电子结构构型，其中碳原子的外壳包含两个具有平行自旋的未配对电子，导致总自旋为 1。
这种构型通常在能量上很高，通常在基态中找不到。与更稳定的闭壳层分子相比，未配对的电子赋予分子磁性。它们还有助于亚甲基的高反应性，使其成为燃烧反应中的关键中间体，在燃烧反应中，当分子在火焰或发动机中消耗时，键会迅速断裂和形成。中间体是一种不稳定的分子，它是临时产生的，然后在多步化学反应中迅速消耗。
第一个激发态 CH2 称为卡宾单线态，其中碳原子中的两个电子配对并且一个轨道是空的。在单线态中，两个电子配对且自旋相反，导致总自旋为零。这通常是能量较低、更稳定的构型。然而，对于 CH2 来说并非如此，CH2 是一个相对罕见的例子，其三重态的能量低于其单线态。在三重态中，两个电子未配对且自旋方向相同。
这些状态之间的能量差称为单线态-三重态能隙，准确预测该能隙对于理解 CH2 如何在复杂的化学过程中相互作用至关重要。
在本研究中，对 CH2 的电子结构进行量子模拟，特别是其单线态和三重态，至关重要，因为传统的经典计算化学方法难以提供开壳层分子的准确结果。使事情进一步复杂化的是，Lockheed Martin 和 IBM 的研究人员着手将 CH2 与卡宾结构进行比较。
这使得量子计算机成为模拟 CH2 和其他自由基物种反应性的理想工具，因为它们能够自然地处理电子关联和复杂的波函数。量子模拟的结果可以深入了解分子的离解能、状态之间的能隙以及经典模型无法完全捕捉的反应性。
通过准确地模拟 CH2 中 C-H 键的离解以及单线态和三重态之间的电子跃迁，我们可以提高我们对这些物质在现实条件下如何表现的理解，从而能够更可靠地建模燃烧排放并有助于传感技术的进步。这些分子出现在键断裂反应期间，准确预测它们的行为对于开发更好的燃烧排放、推进系统甚至化学传感技术模型至关重要。
通过在量子处理器上使用 SQD，该团队成功地计算了单线态和三重态，包括它们的离解能和能隙。这些结果已针对高精度经典方法（选择组态相互作用，或 SCI）进行了基准测试，显示：
- 单线态离解能的强一致性，在 SCI 参考的几个毫哈特里范围内。
- 平衡几何形状附近的一致三重态能量。
- 单线态-三重态能隙的准确预测，与实验和经典模拟一致。
至关重要的是，这是 SQD 方法首次应用于开壳层系统，为量子方法在处理具有复杂电子结构的分子（如自由基和卡宾）方面的能力建立了新的可信度水平。
量子中心超级计算的实际应用
在本研究中，该团队应用基于样本的量子对角化 (SQD) 方法来计算亚甲基单线态和三重态的电子特性。计算使用 IBM 量子处理器的 52 个量子比特执行，每个实验最多执行 3,000 个双量子比特门。
该实验在 IBM 的量子中心超级计算框架内执行，这是一种混合架构，可将量子处理器与经典计算资源紧密耦合，从而实现分子系统的可扩展模拟。
为什么重要
自由基分子是航空航天、燃烧化学和传感器设计的关键参与者。准确地建模它们的行为可以产生更好的预测模型、更高效的化学引擎以及能够检测痕量反应性物质的新型传感技术。
这项研究表明，量子计算机开始在实际的化学模拟中提供价值，而不仅仅是玩具问题或理想化系统。随着量子硬件的不断改进和 SQD 等方法的成熟，我们正在打开使用量子工具建模复杂反应动力学和设计更好材料的大门。
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