德国政府资助180万欧元，探索量子与高性能计算结合促进能源转型

德国联邦教育与研究部（BMBF）的“量子未来”新兴人才计划再次传来新进展。这次，一位名叫沃纳·多布劳茨（Werner Dobrautz）的青年科学家凭借其“qHPC-GREEN”项目（qHPC-GREEN ：Quantum-enhanced high-performance computing for the green energy transition 面向绿色能源转型的量子增强高性能计算）成功入选，并将于2025年1月正式启动研究。多布劳茨博士在德国德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心（HZDR）下属的高级系统理解中心（CASUS）组建了他的研究团队，目标直指模拟与环境和能源挑战相关的生化和物理现象核心处的量子力学系统。

催化剂：化学反应的“神奇小子”

催化剂，这个在化学反应中加速反应速率却自身不发生改变的“神奇小子”，在绝大多数化学和生化产品的生产过程中都扮演着关键角色。而多布劳茨的新研究小组“AI4Quantum”正在探究某些生物催化剂（这些催化剂基于构成生命的分子而构建）的工作机制。一旦揭开这个秘密，就有可能开发出新的工业催化剂，推动更可持续的生产过程。

铵基化肥：绿色能源转型的关键

多布劳茨的“qHPC-GREEN”项目选了一个非常接地气的应用案例：铵基化肥的生产。一个多世纪前，铵基化肥的引入让农业生产率飙升。但问题在于，其工业生产过程能耗巨大。而一种基于固氮酶及其铁钼辅因子促进的生物固氮技术，成为了替代方案中的佼佼者。然而，这种将氢和氮生物催化转化为铵的过程，至今还是个谜。

分而治之：混合算法框架

为了解开这个谜，多布劳茨决定采用“分而治之”的策略。他解释说，他们处理的是一个小型量子系统，包含少于100个电子和原子核。但问题在于，这些电子之间的行为高度相互依赖，形成了强电子关联性的量子系统。而现有的量子化学模拟方法，对这种系统束手无策。

于是，多布劳茨提出了一个混合算法框架：将弱关联区域的计算分配给高性能计算机（HPC），而将强关联区域的计算分配给量子计算机（QC）。这种方法结合了经典量子计算硬件和新型量子计算硬件的优势，即使在量子硬件当前受限的情况下也能确保资源效率。

图2 qHPC-GREEN项目核心概念

资源高效：合作与创新

该项目的HPC计算将在CASUS和位于于利希研究中心的JUWELS超级计算集群上进行。而量子计算方面，则得益于与瑞士苏黎世IBM研究院、瑞典瓦伦贝格量子技术中心、芬兰软件公司Algorithmiq以及于利希超级计算中心的JUNIQ的合作。

多布劳茨强调，他的方法对量子比特的需求适中，因此其实施方案在现有量子器件上具备可行性。这与那些需要大量资源才能解决强关联量子系统理解问题的方法相比，具有显著区别。

萨克森州的领先研究环境

CASUS主任托马斯·D·库恩（Thomas D. Kühne）教授对多布劳茨的决定表示非常高兴。他表示，CASUS、HZDR和萨克森州的研究环境再次证明了他们在争夺最优秀人才的竞争中处于领先地位。

“量子未来”助力，多项目启航获资助

多布劳茨获得的180万欧元资助将用于聘请科研人员和商务差旅。而“量子未来”计划的第三轮竞赛中，除了qHPC-GREEN项目外，qHPC-GREEN项目以及汉堡大学的IonLinQ（基于离子的量子计算机网络接口）项目（480万欧元）和奥格斯堡大学的HoliQC2（量子计算机上量子化学的整体算法）项目（130万欧元）于2025年1月启动。看来，德国的“量子未来”计划正在为青年科学家提供广阔的舞台，让他们在研究道路上勇往直前。而多布劳茨的“qHPC-GREEN”项目，无疑将为绿色能源转型注入新的活力！