近日，華大生命科學(xué)研究院牽頭建設(shè)的基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合香港中文大學(xué)（深圳）在知名學(xué)術(shù)期刊《化學(xué)科學(xué)》（

Chemical Science

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的量子-經(jīng)典混合計(jì)算框架VQE-PDFT，并首次將其應(yīng)用于復(fù)雜的生物蛋白體系，成功計(jì)算出歐洲知更鳥隱花色素蛋白（ErCRY4）中的電子轉(zhuǎn)移率。這不僅驗(yàn)證了量子計(jì)算在解決生命科學(xué)復(fù)雜問題上的巨大潛力，更提供了理解生物體內(nèi)量子效應(yīng)的全新計(jì)算工具，為量子技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)用化發(fā)展奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

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2月18日

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量子-經(jīng)典混合架構(gòu)“分工合作”，

突破傳統(tǒng)計(jì)算瓶頸

在光合作用、酶催化、生物導(dǎo)航等生命過程中，都存在復(fù)雜的電子轉(zhuǎn)移行為。這些過程往往具有“強(qiáng)關(guān)聯(lián)”特性，對其開展精準(zhǔn)計(jì)算研究，一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)。傳統(tǒng)計(jì)算方法難以兼顧計(jì)算精度與效率，而量子計(jì)算雖在理論上具備處理此類問題的天然優(yōu)勢，但受限于當(dāng)前量子硬件的噪聲水平，直接模擬復(fù)雜生物大分子依然困難重重。

為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出VQE-PDFT多尺度計(jì)算框架，采用“量子+經(jīng)典架構(gòu)分工合作”的策略，簡單說就是把生物大分子活性中心最關(guān)鍵、最難、最容易卡住的那部分交給量子計(jì)算處理，其余部分由成熟的經(jīng)典計(jì)算方法完成。這樣既實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)描述，又大幅降低了對量子硬件資源的需求，成功突破了傳統(tǒng)計(jì)算方法的瓶頸。

VQE-PDFT多尺度計(jì)算蛋白質(zhì)電子轉(zhuǎn)移率流程示意圖

淺層線路設(shè)計(jì)揭示鳥類遷徙的

“量子羅盤”之謎

候鳥為何能精準(zhǔn)導(dǎo)航飛越半個地球？科學(xué)界普遍認(rèn)為，這與鳥類視網(wǎng)膜中的隱花色素蛋白發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移有關(guān)。該蛋白也被稱作鳥類遷徙的“量子羅盤”，通過量子糾纏效應(yīng)來探測地球磁場變化。

為了把方法用到真實(shí)蛋白上，研究團(tuán)隊(duì)還專門設(shè)計(jì)了更“淺層”的量子電路，把電路深度從35層縮減到4–6層。電路越淺，量子邏輯門越少，運(yùn)行時間越短，噪聲也越不容易累積，也更適合在當(dāng)前的量子硬件上穩(wěn)定運(yùn)行。

基于該框架，團(tuán)隊(duì)計(jì)算出ErCRY4蛋白中相鄰色氨酸殘基間的電子轉(zhuǎn)移率。結(jié)果顯示，在隨機(jī)選取的20個蛋白構(gòu)型上，計(jì)算結(jié)果與超快瞬態(tài)吸收光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合，而傳統(tǒng)計(jì)算方法得到的結(jié)果則相差約一個數(shù)量級。這意味著量子計(jì)算方法在真實(shí)生物體系中，首次得到了與生物實(shí)驗(yàn)相符的定量預(yù)測。

電子轉(zhuǎn)移率計(jì)算結(jié)果，展示了該框架在模擬平臺與超導(dǎo)硬件上的準(zhǔn)確性

此外，團(tuán)隊(duì)還在真實(shí)的13比特超導(dǎo)量子芯片上做了驗(yàn)證，結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果高度吻合。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前量子硬件存在的固有噪聲會帶來系統(tǒng)性誤差，但研究中的計(jì)算方法本身能有效抵消部分系統(tǒng)性誤差并取得相對可靠的電子轉(zhuǎn)移率。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了在含噪量子計(jì)算時代也能依托現(xiàn)有量子硬件開展高精度的生物化學(xué)計(jì)算。

本次研究是華大在“量子計(jì)算+生命科學(xué)”交叉領(lǐng)域的又一重要里程碑。VQE-PDFT多尺度框架的提出，不僅為復(fù)雜生物體系的模擬解析提供了全新的高精度工具，也標(biāo)志著自主研發(fā)的量子算法在解決實(shí)際科學(xué)問題上邁出了堅(jiān)實(shí)一步。

生命科學(xué)是量子技術(shù)應(yīng)用落地的

前沿陣地

生命科學(xué)領(lǐng)域存在諸多具有重要科學(xué)意義和臨床價值的計(jì)算問題。為突破這些問題的計(jì)算瓶頸，華大積極探索新型計(jì)算范式，推進(jìn)量子技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用落地。

作為深圳國際量子研究院的生態(tài)合作伙伴，華大生命科學(xué)研究院近日參與了，攜手深港兩地科研機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)力量，共同為量子科技產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用發(fā)展注入活力，共建粵港澳大灣區(qū)量子科技產(chǎn)業(yè)高地。

未來，華大將持續(xù)深化量子計(jì)算與生物化學(xué)、生物信息及多組學(xué)研究領(lǐng)域的交叉融合，重點(diǎn)聚焦“量子計(jì)算+細(xì)胞”“量子計(jì)算+基因”等關(guān)鍵應(yīng)用場景，推動量子算法工具的模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化，并聯(lián)合內(nèi)外部資源，打造產(chǎn)學(xué)研用深度融合的創(chuàng)新生態(tài)，加速推動前沿量子計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)與全民健康領(lǐng)域的相關(guān)研究。

基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳一博為該論文第一作者，黎宇翔、黃俊翰為論文共同通訊作者。本研究獲得了深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目以及廣東省生命大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心的支持。

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