我國學者實現億原子級拉曼光譜量子力學模擬
中國科學技術大學教授商紅慧、楊金龍團隊與中國科學院計算技術研究所高級工程師劉穎，華東師范大學教授何曉等團隊合作，實現億原子級拉曼光譜量子力學模擬，成功入圍2024年戈登·貝爾獎。據悉，這是2024年入圍該獎的唯一中國團隊成果，也是該團隊繼2021年后再次入圍該獎項。
戈登·貝爾獎是國際高性能計算應用領域最高獎，由美國計算機協會頒發，用于表彰世界范圍內高性能計算的杰出成就，尤其是高性能計算應用于科學、工程和大規模數據分析領域的創新工作，被稱為“超算領域的諾貝爾獎”。
拉曼光譜是研究分子結構的重要工具，被廣泛應用于藥物開發、疾病診斷等領域，然而，拉曼光譜量子模擬計算量巨大。此前的拉曼光譜量子模擬僅能處理數千原子的小體系。
在此次工作中，研究團隊在算法設計和工程技術方面進行了多項創新，開發了一款QF-RAMAN程序，首次實現了包含1億多原子的新冠病毒刺突蛋白在水溶液中的拉曼光譜量子模擬，與以往工作相比取得了4至5個數量級的提升。此外，QF-RAMAN程序設計了彈性任務卸載技術，通過小規模運算的靈活聚合，大幅提高異構加速器的硬件利用率， 同時采用OpenCL通用異構并行計算框架，能在不同硬件架構的超級計算機上，借助OpenCL編譯工具鏈實現跨平臺運行。在此基礎上，團隊提出了適用于億級原子體系的矩陣方程求解拉曼光譜的新算法，有效解決了大規模量子力學拉曼模擬中的關鍵技術難題。
這項研究表明，量子力學模擬可以擴展到前所未有的規模，同時為高性能計算與科學研究的深度融合奠定堅實技術基礎，將推動生物分子高階量子力學物理性質模擬研究進入新階段，為理解復雜生物系統開辟新途徑。
以新冠病毒研究為例，該方法可以精確模擬刺突蛋白的結構特征，為深入理解病毒感染機制提供科學支撐，為藥物研發和疫苗設計貢獻重要參考。這一方法還可推廣到其他重要生物分子的研究中，成為生物醫學研究領域強大的研究工具。
據了解，此前，“實現億原子級拉曼光譜量子力學模擬”成果獲得了2024年中國計算機學會“中國超算年度最佳應用獎”。
相關論文信息：https://dl.acm.org/doi/10.1109/SC41406.2024.00011
