趙嫺 | 特約編輯 (臺灣大學化學系碩士生)
克里夫蘭診所（Cleveland Clinic）與 IBM 合作，結合傳統高效能運算與量子計算，成功模擬了由 303 個原子組成的迷你蛋白質 Trp-cage 的電子結構，為量子計算在生物分子領域的應用邁出關鍵一步。
傳統電腦雖然能夠進行精確的電子結構計算，但隨著分子尺寸增加，計算複雜度會急遽上升，使得大型分子的量子力學模擬變得極為困難甚至不可行，而量子電腦提供了一條新的可能路徑。
研究團隊計算了Trp-cage分子，Trp-cage 雖然是小型蛋白質，卻已具備多數大型生物分子的典型特徵，例如具有疏水性核心以及分子內部的氫鍵作用，使其能形成穩定且複雜的三維結構。研究團隊不僅模擬了其穩定的摺疊態，也分析了未摺疊狀態，並進一步比較兩者之間的相對能量，展現此方法在描述分子結構與性質上的能力。
這項研究的核心在於將波函數嵌入技術（wave function-based embedding, EWF）與樣本式量子對角化（sample-based quantum diagonalization, SQD）結合。
（製圖／趙嫺）
波函數嵌入技術（EWF） 將整個蛋白質分子拆解為多個彼此關聯的區域，使得分子邊緣較簡單的部分可以交由傳統電腦高效處理，而位於分子核心、具有複雜電子交互作用的區域則交由量子電腦負責計算。
樣本式量子對角化（SQD） 進一步利用IBM量子電腦Heron r2，從龐大的電子組態空間中採樣，篩選出對系統最關鍵的組態，再交由傳統電腦進行精確求解，藉此有效降低原本呈指數成長的計算難度。
透過這種量子與古典計算協同運作的方式，研究團隊成功重建了 Trp-cage 的電子結構，且其結果已可與高精度的傳統方法競爭。這項成果顯示，量子電腦與傳統電腦合作運算不僅具有可行性，也具備向更大型分子系統擴展的潛力。未來若相關技術持續成熟，將有望應用於藥物設計、材料開發與生物分子模擬等領域，為量子計算走向實際應用奠定重要基礎。
資料來源
- IBM Quantum. (2026, March 11). How Cleveland Clinic and IBM simulated a protein’s electronic structure with quantum-centric supercomputing. IBM Quantum Blog.
https://www.ibm.com/quantum/blog/cleveland-clinic-protein-qcsc - Shajan, A., et al. (2025). Molecular Quantum Computations on a Protein. arXiv preprint arXiv:2512.17130.
https://doi.org/10.48550/arXiv.2512.17130
- IBM Quantum. (2026, March 11). How Cleveland Clinic and IBM simulated a protein’s electronic structure with quantum-centric supercomputing. IBM Quantum Blog.
