我国学者实现亿原子级拉曼光谱量子力学模拟

中国科学技术大学教授商红慧、杨金龙团队与中国科学院计算技术研究所高级工程师刘颖，华东师范大学教授何晓等团队合作，实现亿原子级拉曼光谱量子力学模拟，成功入围2024年戈登·贝尔奖。据悉，这是2024年入围该奖的唯一中国团队成果，也是该团队继2021年后再次入围该奖项。

戈登·贝尔奖是国际高性能计算应用领域最高奖，由美国计算机协会颁发，用于表彰世界范围内高性能计算的杰出成就，尤其是高性能计算应用于科学、工程和大规模数据分析领域的创新工作，被称为“超算领域的诺贝尔奖”。

拉曼光谱是研究分子结构的重要工具，被广泛应用于药物开发、疾病诊断等领域，然而，拉曼光谱量子模拟计算量巨大。此前的拉曼光谱量子模拟仅能处理数千原子的小体系。

在此次工作中，研究团队在算法设计和工程技术方面进行了多项创新，开发了一款QF-RAMAN程序，首次实现了包含1亿多原子的新冠病毒刺突蛋白在水溶液中的拉曼光谱量子模拟，与以往工作相比取得了4至5个数量级的提升。此外，QF-RAMAN程序设计了弹性任务卸载技术，通过小规模运算的灵活聚合，大幅提高异构加速器的硬件利用率， 同时采用OpenCL通用异构并行计算框架，能在不同硬件架构的超级计算机上，借助OpenCL编译工具链实现跨平台运行。在此基础上，团队提出了适用于亿级原子体系的矩阵方程求解拉曼光谱的新算法，有效解决了大规模量子力学拉曼模拟中的关键技术难题。

这项研究表明，量子力学模拟可以扩展到前所未有的规模，同时为高性能计算与科学研究的深度融合奠定坚实技术基础，将推动生物分子高阶量子力学物理性质模拟研究进入新阶段，为理解复杂生物系统开辟新途径。

以新冠病毒研究为例，该方法可以精确模拟刺突蛋白的结构特征，为深入理解病毒感染机制提供科学支撑，为药物研发和疫苗设计贡献重要参考。这一方法还可推广到其他重要生物分子的研究中，成为生物医学研究领域强大的研究工具。

据了解，此前，“实现亿原子级拉曼光谱量子力学模拟”成果获得了2024年中国计算机学会“中国超算年度最佳应用奖”。

相关论文信息：https://dl.acm.org/doi/10.1109/SC41406.2024.00011