由克利夫兰诊所计算生命科学中心的 Kenneth Merz 博士领导的团队展示了如何使用量子计算机研究分子在水溶液中的行为。

化学最重要的组成部分之一是了解分子在特定液体中的反应。例如，在水基溶剂溶液中，分子会与周围的水分子相互作用，从而改变其行为。如果研究人员能够预测分子在液体中的变化，他们就能创造出更有效的药物和治疗方法。

对于目前在传统计算机上使用的方法而言，计算溶剂中每个分子所有可能的反应和结果过于耗时且成本高昂。为了克服这一问题，Merz 实验室完成了首项研究，在真实量子硬件上使用基于样本的量子对角化 (SQD) 演示隐式溶剂模拟，从而为更好地表征溶液中的​​分子提供了一种新方法。

该论文发表在《物理化学杂志》特刊上，也是首篇在溶剂相中测试SQD的研究。该论文被选为本期的封面故事。

为了了解分子在液体中的行为，Merz 博士和他的团队使用 IBM Quantum System One 运行 SQD，该系统会选择分子的电子配置“样本”，以帮助表征分子的能量。然后，这些样本被发送到一台经典计算机进行分析，并选择最可能的结果。

这个过程不断重复和改进，直到做出最准确的预测。作为与 IBM 合作的一部分，克利夫兰诊所拥有 IBM Quantum System One，这是第一台专用于医疗保健研究的量子计算机。

为了验证该模型，研究团队对化学和生物学中常见的四种极性分子进行了测试：甲醇、乙醇、甲胺和水。每次测试最多使用 52 个量子比特，化学精度达到 1 kcal/mol 以下。这些结果证明了该模型能够预测分子能量和溶剂化自由能。

“这项研究是朝着量子计算机上实用量子化学迈出的重要一步，”Merz博士说道。“量子混合模型在很大程度上仍未被探索，而且很少有在量子硬件上进行测试的。通过在量子硬件上测试该模型，我们展示了其利用量子计算机推进化学研究的能力。”

更多信息： Danil Kaliakin 等人，基于隐式溶剂样本的量子对角化，《物理化学杂志 B》(2025 年)。期刊信息： 物理化学杂志A 、 物理化学杂志B