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，要以科技創新引領現代化產業體系建設，“開辟量子、生命科學等未來產業新賽道”。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制高點的重要戰場。

12月21日下午，上海市工程師學會、長三角國家技術創新中心、上海技術交易所在上?？茖W會堂共同舉辦了一場以“量子計算在材料行業的應用探索”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部總經理吳亞作了題為《量子計算硬件發展情況介紹》的報告，微觀紀元創始人兼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《從材料到生物醫藥需求看量子計算的潛在應用》的報告。上海工業經濟聯合會專家委員會副主任張培璋、上海市新材料協會秘書長何扣寶等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，行業應用對計算能力的要求逼近經典極限。

他說，算力的發展與變遷是從傳統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，這種不連續的最小量對應一個“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，其中每個狀態都是一個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數量超過已知宇宙中原子數目的總和。因此，量子計算在計算上將有指數級的速度。

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勢主要是與傳統芯片工藝的相似性，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、冷卻系統復雜等。離子阱量子計算機的優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目來擴展等；其劣勢是需要非常穩定的實驗環境，以及阱內量子數量需要持續突破。

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量超過100個，可以實現12個離子的全操控。最大離子囚禁數量、全操控離子數量以及囚禁離子時間等核心指標均處于世界前列。在小規模量子比特門操控保真度、退相干時間等核心指標上，已基本實現超越。

長三角量子技術產業和應用實踐要協同創新

會議強調，隨著量子計算機開發不斷進展，量子計算的行業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，以搶占未來產業的制高點和話語權。長三角量子產業技術要協同創新，建設世界級量子研究中心和創新創業高地。

呂川博士從“微觀紀元”的發展談長三角協同創新的重要性。合肥微觀紀元數字科技有限公司成立于2022年，同年成立了上海觀元知止數字科技有限公司，主要結合場景應用進行技術研發。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其計算能力的優越性，與經典計算機結合，分別發揮各自的優勢，能夠形成更優化的算力資源。

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，發展出一套穩定子算法，先后精確計算出氫氣分子、苯分子等基團的基態曲線，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現流程。雙方共同研發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藥物研發流程。

微觀紀元與國內領先的mRNA藥物研發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，在量子產業大會上，微觀紀元與阿法納攜手發布了國內首個、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”——最穩定的構型。

陳大明分析量子計算大量應用案例后指出，新藥開發中的模擬、優化與學習結合需要量子計算技術支撐。為此，許多大企業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、組學數據分析、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，等同于提升分子計算能力，升級量子計算創新及產業生態，以及量子計算機開發的進步。

討論環節由上海科學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、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，因此量子計算產業發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發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、上海市制造業創意促進中心副主任王晶、復旦大學數學科學學院研究員李穎洲、華東理工大學副研究員高粱、華誼上海化工研究院有機化工研究所副總工沈安、長三角國家創新中心高級經理王歡等專家提出了寶貴建議。