中国科学家实现量子化学计算重大突破

据外媒vastdata报道，中国科学家借助自主研发的人工智能模型和新一代E级超级计算机——神威·海洋之光（Oceanlite），首次在真实分子尺度上成功完成复杂量子化学建模。这一成果标志着量子化学计算领域的一项重要进展。相关研究已发表在IEEE官网。

通常情况下，科学研究中的复杂模拟需要依赖超级计算机的强大算力。然而，像模拟分子量子行为这样的任务，由于涉及指数级增长的相互作用态，往往需要更强大的量子计算机，或者通过简化使其适应现有超级计算机的能力。目前，量子计算机技术尚未成熟，因此经典计算机仍是主要工具。

在量子力学中，量子态由波函数（Ψ）描述，其决定了粒子的位置、自旋、能级及概率分布等特性。然而，随着粒子数量增加，量子态的空间复杂度呈指数级增长，这使得在经典超级计算机上进行精确模拟几乎不可能。

为解决这一难题，科学家通常采用近似方法简化量子方程，同时尽量保持分子结构、反应和能量的准确性。然而，现有近似波函数方法仅适用于小分子系统。神经网络量子态（NNQS）虽然能够求解量子多体系统，但在大规模电子结构分析中，其应用面临高采样成本和复杂局部能量计算的挑战。

中国科学家提出了一种创新的数据并行NNQS-Transformer实现方案，成功克服了这些障碍。他们对包含120个自旋轨道的系统进行实验，利用神经网络训练模拟分子波函数，以预测电子最可能的位置。每次采样后，系统会计算局部能量并调整网络，直至预测结果与分子的真实量子能量模式相匹配。

这一成果的实现得益于神威·海洋之光超级计算机的强大性能。该计算机基于申威（Sunway）SW26010-Pro CPU，单芯片包含6个核心模块和1个协议处理单元（PPU），总计384个内核，较上一代SW26010性能提升约50%。每个核心模块由1个管理核心（MPE）和64个计算核心组成，其中每64个计算核心构成一个计算处理单元（CPE），并配备256KB L2缓存。

研究人员设计了一种分层通信模型，由管理核心负责处理器和节点间的协调，而数百万个具有512 bit矢量引擎的计算处理单元（CPE）执行本地量子计算任务。此外，他们还开发了动态负载平衡算法，确保计算任务均匀分配，避免核心空闲。

最终，科学家在神威·海洋之光的3700万个处理器核心上运行了代码，实现了92%的强扩展性和98%的弱扩展性。这一高效率体现了软件与硬件的高度协同，是中国超级计算机领域的重要成就。神威·海洋之光最大配置超过10万个节点，总计4100万个核心，FP16性能超过5 Exaflop/s，FP64理论峰值性能达1.5 Exaflops。

此次对120个自旋轨道分子系统的模拟，是有史以来在经典超级计算机上完成的最大规模人工智能驱动量子化学计算。