新型算力滿足人類對計算需求的增長——量子計算應用思享會側記

2023年12月11日中央經濟工作會議上強調，要以科技創(chuàng)新引領現(xiàn)代化產業(yè)體系建設，“開辟量子、生命科學等未來產業(yè)新賽道”。量子計算是一種新型算力，是方興未艾的第二次量子信息技術革命的產物，對滿足人類日益增長的算力需求具有十分重大的意義，也是世界各國爭奪未來產業(yè)制高點的重要戰(zhàn)場。

12月21日下午，上海市工程師學會、長三角國家技術創(chuàng)新中心、上海技術交易所在上海科學會堂共同舉辦了一場以“量子計算在材料行業(yè)的應用探索”為主題的量子計算應用思享會。與會專家就量子計算技術在化學、新材料研發(fā)上潛在應用的必要性、可行性進行了熱烈研討。

國儀量子量子計算事業(yè)部總經理吳亞作了題為《量子計算硬件發(fā)展情況介紹》的報告，微觀紀元創(chuàng)始人兼CEO呂川博士作了題為《量子計算在化學模擬中的應用》的報告，中國科學院上海查新中心副主任陳大明作了題為《從材料到生物醫(yī)藥需求看量子計算的潛在應用》的報告。上海工業(yè)經濟聯(lián)合會專家委員會副主任張培璋、上海市新材料協(xié)會秘書長何扣寶等10余名專家學者進行了交流。

量子計算具有強大的計算潛力

“經典計算中的摩爾定律面臨失效。”吳亞說，摩爾定律是指集成電路中的晶體管數(shù)量每隔18—24個月翻一番，同時芯片的成本也會相應降低一半。這個定律自提出以來一直在過去幾十年中得到驗證，但隨著時間推移，芯片制程逐漸遇到瓶頸，摩爾定律逐漸開始失效，行業(yè)應用對計算能力的要求逼近經典極限。

他說，算力的發(fā)展與變遷是從傳統(tǒng)計算機到高性能計算機，再到量子計算機。微觀世界中，物質和能量的變化趨于不連續(xù)，這種不連續(xù)的最小量對應一個“量子”。若一個量子計算機可以同時操縱N個量子比特，那它就可以同時操縱2^N個狀態(tài)，其中每個狀態(tài)都是一個N位的經典比特。當N為300時，N個量子比特所能同時表示的狀態(tài)數(shù)量超過已知宇宙中原子數(shù)目的總和。因此，量子計算在計算上將有指數(shù)級的速度。

當前，量子計算機主流技術路線為超導量子計算機與離子阱量子計算機。超導量子計算機的優(yōu)勢主要是與傳統(tǒng)芯片工藝的相似性，以及誤差率相對較低、邏輯操作速度較快等；其劣勢主要是接近絕對零度、冷卻系統(tǒng)復雜等。離子阱量子計算機的優(yōu)勢主要是離子比特具有較長的量子相干時間，以及可通過逐步增加離子數(shù)目來擴展等；其劣勢是需要非常穩(wěn)定的實驗環(huán)境，以及阱內量子數(shù)量需要持續(xù)突破。

吳亞介紹了國儀量子的離子阱量子計算機ION I，它囚禁一維離子晶體數(shù)量超過100個，可以實現(xiàn)12個離子的全操控。最大離子囚禁數(shù)量、全操控離子數(shù)量以及囚禁離子時間等核心指標均處于世界前列。在小規(guī)模量子比特門操控保真度、退相干時間等核心指標上，已基本實現(xiàn)超越。

長三角量子技術產業(yè)和應用實踐要協(xié)同創(chuàng)新

會議強調，隨著量子計算機開發(fā)不斷進展，量子計算的行業(yè)應用也提到日程上來。國際上，跨國公司已經在化工、材料、生物醫(yī)藥、新能源、金融、物流等領域開展了量子計算實際應用的項目實踐，以搶占未來產業(yè)的制高點和話語權。長三角量子產業(yè)技術要協(xié)同創(chuàng)新，建設世界級量子研究中心和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高地。

呂川博士從“微觀紀元”的發(fā)展談長三角協(xié)同創(chuàng)新的重要性。合肥微觀紀元數(shù)字科技有限公司成立于2022年，同年成立了上海觀元知止數(shù)字科技有限公司，主要結合場景應用進行技術研發(fā)。他們已成功服務多家藥企與高校院所，在小分子藥物設計、PROTAC、mRNA、抗體/抗原、酶設計優(yōu)化等方面積累了豐富經驗，參與了多項國家級省部級科研重點研發(fā)計劃。

他說，在當前的帶噪聲的中型量子計算機（NISQ）階段，量子計算機并不能解決通用的問題，然而在一些特定領域則可能展現(xiàn)其計算能力的優(yōu)越性，與經典計算機結合，分別發(fā)揮各自的優(yōu)勢，能夠形成更優(yōu)化的算力資源。

微觀紀元團隊利用量子編碼技術，成功揭示了化學體系的量子糾纏結構，發(fā)展出一套穩(wěn)定子算法，先后精確計算出氫氣分子、苯分子等基團的基態(tài)曲線，取得了量子計算在量子化學領域國際領先的應用成果。該成果應用于微觀紀元團隊開發(fā)的小分子化學藥物篩選管線，以及與合肥阿法納公司合作的mRNA研究計算管線，能夠提高小分子化學藥物、mRNA抗體抗原藥物等設計計算過程的精準度，提升藥物設計成功概率。

在小分子化藥設計方面，微觀紀元與深圳埃格林醫(yī)藥有限公司密切合作。埃格林提供病癥靶點，微觀紀元使用其具有量子計算功能的藥物篩選管線加速藥物發(fā)現(xiàn)流程。雙方共同研發(fā)的藥物目前已經推進到了臨床階段，推進速度遠遠快于傳統(tǒng)藥物研發(fā)流程。

微觀紀元與國內領先的mRNA藥物研發(fā)商合肥阿法納生物科技有限公司形成了更為緊密的合作模式。2023年9月24日，在量子產業(yè)大會上，微觀紀元與阿法納攜手發(fā)布了國內首個、國際第二個結合人工智能與量子計算的mRNA藥物設計平臺。

量子計算的潛在應用領域極其廣泛

陳大明的報告列舉了大量國際上的量子應用案例，包括德國量子技術與應用聯(lián)盟采用混合策略，讓量子計算輔助更精準的計算。

奔馳與IBM合作，在下一代鋰硫電池研發(fā)方面，用量子計算進行分子模擬的主要目的是找到化合物的“基態(tài)”——最穩(wěn)定的構型。

陳大明分析量子計算大量應用案例后指出，新藥開發(fā)中的模擬、優(yōu)化與學習結合需要量子計算技術支撐。為此，許多大企業(yè)在量子生命科學領域進行了國際布局。克利夫蘭診所部署首臺生命健康專用的量子計算機IBMQuantum System One，用于藥物篩選、疾病的量子增強預測模型、組學數(shù)據(jù)分析、量子人工智能應用。諾和諾德基金會2022年宣布投入2億美元制造的量子計算機用于開發(fā)新藥，并為氣候變化提供洞見。

陳大明說，展望未來，混合計算加新算法開發(fā)，等同于提升分子計算能力，升級量子計算創(chuàng)新及產業(yè)生態(tài)，以及量子計算機開發(fā)的進步。

討論環(huán)節(jié)由上?？茖W院原院長孫正心研究員主持。與會專家對如何開展量子計算應用的方式、應用場景的開發(fā)、產學研合作的模式等主題展開熱烈討論。專家指出，當前量子計算機的開發(fā)還沒有完全成熟，量子計算的實際應用還存在諸多瓶頸和困難，因此量子計算產業(yè)發(fā)展和在相關領域的應用實踐，還有很長的道路；這是我們國家在未來產業(yè)發(fā)展中參與國際競爭的重要賽道，絕不能等、靠，必須通力合作、砥礪前行、長期堅持，未來要在這個賽道上勝出，只有立即行動。

與會的張培璋、何扣寶，以及中國石化上海石油化工研究院研究員王傳明、上海大學材料基因組工程研究院教授陸文聰、上海市制造業(yè)創(chuàng)意促進中心副主任王晶、復旦大學數(shù)學科學學院研究員李穎洲、華東理工大學副研究員高粱、華誼上?；ぱ芯吭河袡C化工研究所副總工沈安、長三角國家創(chuàng)新中心高級經理王歡等專家提出了寶貴建議。