科技獵公眾號：?
編輯 | 綠羅
量子計算機 的核心看起來似乎很熟悉：一塊郵票大小的硅芯片。但和你筆記本電腦的相似之處就到此為止了。該芯片被包裹在真空室中，冷卻到接近絕對零度，上面有 198 個金電極，排列成橢圓形的賽道。
在賽道上方，一束鐿離子被電脈沖、射頻脈沖和激光脈沖捕獲并懸浮。隨后的操作將特定量的能量傳遞給離子，并誘導(dǎo)它們相互作用，以執(zhí)行一系列邏輯操作。最后一束激光脈沖推動每個離子發(fā)出熒光或不發(fā)出熒光——探測器會讀出一串二進制代碼，作為計算的結(jié)果。
去年，量子計算初創(chuàng)公司 Quantum 的研究人員使用一個包含八個鐿離子的芯片，在無數(shù)可能的配置中，計算出一個氫分子的兩個電子在最穩(wěn)定狀態(tài)下的精確排列。就其本身而言，這種計算能力幾乎不值得注意；一臺普通的筆記本電腦幾秒鐘就能搞定。但它標(biāo)志著先進量子模擬的首次演示，隨著量子計算機變得越來越強大，這種模擬有望表現(xiàn)得更好，并能處理更復(fù)雜的分子。
論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2306.16608
這一成就表明，量子計算機正從單純的承諾領(lǐng)域轉(zhuǎn)向應(yīng)對現(xiàn)實世界的挑戰(zhàn)。Quantinuum 是眾多公司之一，它們認(rèn)為化學(xué)應(yīng)用（尤其是尋找新型藥物和催化劑）將成為這些新機器的首批實際任務(wù)之一。研究人員表示，它們非常適合預(yù)測分子的結(jié)構(gòu)和行為，因為機器和分子都受量子力學(xué)的反直覺定律支配。
量子計算正轉(zhuǎn)向科學(xué)實際應(yīng)用
「我們目前正在使用化學(xué)問題來推進量子計算，而不是使用量子計算來推進化學(xué)，」Quantinuum 的戰(zhàn)略主管 Chad Edwards 說?！傅珪幸粋€轉(zhuǎn)折點」，屆時這些角色將被逆轉(zhuǎn)?！高^去一年，速度明顯加快，」位于巴黎的量子計算初創(chuàng)公司 PASQAL 的量子物理學(xué)家 Louis-Paul Henry 表示同意，該公司也專注于化學(xué)?！冈絹碓蕉嗟娜苏谡?wù)搼?yīng)用，并研究與現(xiàn)實世界用途相關(guān)的更難的問題。」
量子計算機已經(jīng)幫助研究人員放大燃料電池催化劑的反應(yīng)路徑，模擬光與物質(zhì)之間極其短暫的相互作用，并揭示蛋白質(zhì)中可用于藥物治療的口袋。量子計算公司 Phasecraft 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Ashley Montanaro 表示，如今的量子計算機幾乎足以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)系統(tǒng)無法觸及的東西。「它比人們之前想象的要近得多?！?/p>
標(biāo)準(zhǔn)計算機以 0 和 1 的形式處理數(shù)據(jù)位，而量子計算機則依賴于「量子比特」，它可以將數(shù)據(jù)編碼為 0、1 或同時處于「疊加」?fàn)顟B(tài)的兩種狀態(tài)的任意組合。
在 Quantinuum 的計算機中，量子比特是鐿離子中的電子，它們可以懸停在兩個不同能級的疊加中。在計算過程中，多個量子比特會「糾纏」，因此它們的能量狀態(tài)會相互影響，從而可以同時評估它們所有可能的相互作用。
Quantinuum 創(chuàng)始人 Ilyas Khan 將經(jīng)典計算比作老鼠在迷宮中導(dǎo)航，在反復(fù)試驗中隨機轉(zhuǎn)彎，尋找正確的路徑。他說，量子計算機可以鳥瞰同一個迷宮，這使得人們更容易一次性看到最佳路徑。驗證解決方案就像測試量子計算機揭示的分子結(jié)構(gòu)或行為一樣簡單?！改阒滥阋呀?jīng)到達終點了，因為你拿到了那塊奶酪?！筀han 說。即使將幾百個量子比特連接在一起，也應(yīng)該能夠進行極其復(fù)雜的計算。
挑戰(zhàn)在于量子比特很脆弱：空氣粒子、少量熱量甚至雜散宇宙射線的輕微碰撞都可能擾亂量子比特的疊加態(tài)，產(chǎn)生錯誤，從而影響結(jié)果。研究人員通過冷卻量子比特并將其與環(huán)境隔離來將這些影響降到最低。它們也有冗余。盡管今天的量子計算機可能連接了數(shù)十或數(shù)百個量子比特，但只有一小部分量子比特執(zhí)行邏輯運算，而其余的量子比特則糾正錯誤。
即便如此，這些機器也變得越來越強大。去年，IBM 推出了一款基于微型超導(dǎo)電路的 1121 量子比特計算機，高于 2021 年發(fā)布的 127 量子比特版本。加州初創(chuàng)公司 Atom Computing 更進一步，去年推出了一款依賴中性鐿原子自旋的 1180 量子比特計算機。
IBM Quantum Heron 處理器。（來源：IBM）
其他人則在努力提高準(zhǔn)確性。2023 年 12 月，哈佛大學(xué)的研究人員使用另一家中性原子初創(chuàng)公司 QuEra 的 280 量子比特計算機，報告稱，他們的系統(tǒng)降低了錯誤率，使他們能夠編碼多達 48 個邏輯量子位，并在量子紙牌屋倒塌之前「忠實」地執(zhí)行數(shù)百次操作，這比以前的設(shè)置有了很大的改進。
上個月，Quantinuum 的科學(xué)家報告稱，微軟的一種新算法大大提高了他們檢測和糾正最新 32 量子比特離子芯片錯誤的能力。加州大學(xué)洛杉磯分校的量子計算專家 Prineha Narang 表示：「硬件進步的速度足夠快，很快就會影響到可實現(xiàn)的應(yīng)用數(shù)量?！?/p>
在 Quantinuum 的 H2 芯片中，懸浮在中央微小「賽道」上方的離子可以計算分子結(jié)構(gòu)。（來源：QUANTINUUM）
許多研究人員期望這些應(yīng)用能從化學(xué)中出現(xiàn)?；衔锖筒牧系男再|(zhì)由化學(xué)鍵的形成和斷裂、電子的運動和磁性行為決定——所有這些都由量子力學(xué)決定。研究人員可以通過求解分子的薛定諤方程來推斷分子的行為，該方程部分描述了電子的概率、波動行為及其與原子核的相互作用，基于電子能級和化學(xué)鍵長等輸入。
經(jīng)典計算機已經(jīng)能夠計算像并五苯（entacene）這樣大的分子，它是由五個烴環(huán)組成的鏈，其中有 22 個電子以「π」共價鍵形式存在，這決定了分子的形狀和反應(yīng)性。但經(jīng)典計算依賴于近似值，對于較大的分子，不可避免的誤差會累積，從而影響結(jié)果。
相比之下，量子計算機不需要使用這些模糊因素，而是可以直接將電子和原子核之間的相互作用映射到量子比特上，使用實際的量子系統(tǒng)來表示它們的 kin?！噶孔酉到y(tǒng)和量子計算之間有著內(nèi)在的一致性，」Edwards 說。
化學(xué)與量子計算相得益彰的另一個原因是，問題通常可以得到嚴(yán)格限制，使它們在當(dāng)今可用的小型量子計算機的可及范圍內(nèi)。研究人員可能只需要關(guān)注少數(shù)電子的相互作用，就可以了解藥物分子如何與其蛋白質(zhì)靶標(biāo)結(jié)合。微軟量子組首席運營官 Brian Bilodeau 表示：「量子計算機的最佳問題規(guī)模很小」，可能出現(xiàn)多種結(jié)果。
量子混合算法
鑒于當(dāng)今量子計算機的能力仍然有限，研究人員并沒有要求它們獨自完成所有計算工作。相反，大多數(shù)科學(xué)家都在尋求將量子處理器和經(jīng)典處理器結(jié)合起來的混合方法?！脯F(xiàn)實是，這將是一個混合的世界?！笲ilodeau 說。
當(dāng)今最流行的混合算法是一種稱為變分量子特征求解器 (VQE) 的算法，它使用經(jīng)典計算機來近似分子的穩(wěn)定基態(tài)，即對其結(jié)構(gòu)及其與相鄰分子相互作用的方式至關(guān)重要的最低能量配置。然后量子計算機接管并找到基態(tài)的精確解。
但如今容易出錯的量子計算機通常難以處理 VQE。最大的 VQE 模擬發(fā)生在 2020 年，當(dāng)時谷歌研究人員模擬了 12 個氫原子分子鏈中 12 個電子的行為。這接近但仍未達到經(jīng)典模型并五苯及其 22 個「π」電子。
但新的和改進的混合算法正在獲得發(fā)展勢頭。2022 年，谷歌科學(xué)家推出了一種可以計算分子氮和固體金剛石等物質(zhì)中多達 120 個相互作用電子的基態(tài)的算法。該算法使用經(jīng)典計算機探索電子相互作用的隨機變化，并使用量子計算機引導(dǎo)經(jīng)典系統(tǒng)獲得精確結(jié)果。但它沒有達到足夠的精度，因此研究人員無法聲稱量子方法優(yōu)于經(jīng)典方法。
Phasecraft 的研究人員描述了量子計算機需要什么來模擬擬議的超導(dǎo)體（紅色和灰色）中原子周圍的電子（黃色和藍色）的行為。（來源：PHASECRAFT）
化學(xué)家們現(xiàn)在正在推動這些混合裝置，用于發(fā)現(xiàn)新材料和催化劑，甚至理解神秘的光驅(qū)動反應(yīng)。在 1 月份《Nature Communications》雜志的一份報告中，Phasecraft 的研究人員描述了另一種混合算法，該算法利用量子計算機模擬晶體材料的結(jié)構(gòu)和電子行為，晶體材料的重復(fù)結(jié)構(gòu)使其更容易建模。
在一次這樣的分析中，Phasecraft 的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的新算法所需的計算步驟應(yīng)該比現(xiàn)有的 VQE 少 100 萬倍，可以準(zhǔn)確模擬釩酸鍶，這是一種很有前途的新電池電極材料。盡管量子計算機還不足以讓 Phasecraft 應(yīng)用該算法，但它理論上可以揭示調(diào)整釩酸鍶結(jié)構(gòu)和改進電池的方法。
催化劑的反應(yīng)表面可以加速化學(xué)反應(yīng)，是這項早期工作的另一個目標(biāo)。在 2023 年 7 月 arXiv 上的預(yù)印本中，Quantinuum 的研究人員報告說，他們使用一種混合裝置來探索鉑基催化劑的化學(xué)反應(yīng)性，這種催化劑通常用于燃料電池中，通過將氫和氧轉(zhuǎn)化為水來發(fā)電。鉑金價格昂貴且稀有，因此研究人員希望提高其催化速度，使燃料電池使用更少的鉑金，或者最好用更便宜的物質(zhì)完全替代它。
論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2307.15823
為此，他們需要了解鉑金的工作原理——氧氣和氫氣如何吸附到催化劑上，它們?nèi)绾瓮ㄟ^中間化合物轉(zhuǎn)移電子和質(zhì)子，以及它們最終如何反應(yīng)形成水分子，然后水分子從催化劑上分離出來。事實證明，僅靠傳統(tǒng)計算機無法完成這些計算任務(wù)。
因此，由 Quantinuum 量子化學(xué)家 David Mu?oz Ramo 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員提高了模擬的準(zhǔn)確性。首先，他們使用傳統(tǒng)計算機模擬分子如何從催化劑顆粒上吸附和解吸；然后他們應(yīng)用量子計算機來確定所涉及的電子和質(zhì)子最可能的反應(yīng)途徑。盡管這種方法尚未發(fā)現(xiàn)新的燃料電池催化劑，但 Mu?oz Ramo 表示，隨著量子計算硬件的改進，此類模擬的結(jié)果只會變得更加強大。
量子算法還使研究人員能夠研究化學(xué)中的基本問題。例如，去年，量子研究人員模擬了光與物質(zhì)的相互作用，這是視覺和光合作用的核心過程。他們瞄準(zhǔn)了一種光化學(xué)反應(yīng)，其中分子吸收光子的能量并將其轉(zhuǎn)移到相鄰分子。能量轉(zhuǎn)移僅發(fā)生在飛秒或千萬億分之一秒（10^-15）內(nèi)，速度快到無法觀察到。經(jīng)典計算機可以模擬多個光子如何相互作用，但由于計算強度的原因，一次只能模擬幾個光子。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01300-3
因此，悉尼大學(xué)物理學(xué)家 Ting Rei Tan 和同事使用捕獲離子量子計算機來模擬單個量子能量「波包」如何在相鄰分子之間移動。這有效地將這個過程減慢了 1000 億倍，并使模擬其中一個事件成為可能。有了更強大的量子計算機，該團隊?wèi)?yīng)該能夠模擬更多的反應(yīng)并超越經(jīng)典技術(shù)?！肝覀冋诮咏孔觾?yōu)勢?！筎an 說。
量子計算將成為藥物發(fā)現(xiàn)不可或缺的一部分
短期內(nèi)，量子計算可能會對藥物開發(fā)產(chǎn)生最大的影響。如今，開發(fā)一種新藥平均需要 12 年時間，成本超過 20 億美元。Edwards 說，制藥公司正在尋找任何可能的優(yōu)勢，來尋找下一個重磅炸彈。羅氏、輝瑞、默克、百?。˙iogen）和其他行業(yè)巨頭已經(jīng)與量子計算公司建立了早期合作伙伴關(guān)系，希望新技術(shù)能夠加速發(fā)現(xiàn)?！肝医^對相信它即將到來，」藥物開發(fā)商 ProteinQure 的研發(fā)主管 Mark Fingerhuth 說。
其中一些伙伴關(guān)系已開始初見成效。2023 年 9 月，PASQAL 和 Qubit Pharmaceuticals 的研究人員發(fā)布了一份預(yù)印本，描述了一種跟蹤蛋白質(zhì)周圍水分子的混合方法，這可以指示藥物結(jié)合口袋的位置。
研究人員首先使用經(jīng)典算法來追蹤一種稱為主要尿蛋白 1 (MUP-1) 的肝蛋白內(nèi)部和周圍的水分子密度，從而縮小了問題范圍，該蛋白屬于一類被認(rèn)為無法用藥的蛋白質(zhì)。然后，他們使用 PASQAL 的量子計算機確定了 MUP-1 潛在藥物結(jié)合口袋中水分子的具體位置，為使用相同方法識別與疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)的可用藥物靶點奠定了基礎(chǔ)。
與此同時，2023 年 5 月，另一家藥物開發(fā)公司 Gero 的研究人員在《Scientific Reports》中報告稱，他們使用量子計算機更真實地模擬了可能的藥物靶點的電子特性，例如分子間正電荷和負(fù)電荷的分布以及相鄰原子之間稱為范德華力的弱化學(xué)鍵的排列。
他們將這些約束輸入到運行在傳統(tǒng)計算機上的人工智能 (AI) 軟件中，該軟件得出了 2300 多種可以瞄準(zhǔn)這些目標(biāo)的類藥物分子。雖然結(jié)果只是一個概念證明，但 Gero 的科學(xué)家指出，他們的量子人工智能混合體如何通過瞄準(zhǔn)最佳藥物的共同化學(xué)結(jié)構(gòu)來展現(xiàn)其前景?！溉绻阌昧孔佑嬎銠C解決了困難的部分，那么用傳統(tǒng)人工智能就可以很容易地解決其他部分，」Gero 首席執(zhí)行官 Peter Fedichev 說。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-023-32703-4
藥物開發(fā)商 Insilico Medicine 的目標(biāo)是更清晰地了解潛在藥物分子與其蛋白質(zhì)靶標(biāo)之間的相互作用。
Insilico 研究人員在 2 月份報告稱，他們在 IBM 的 16 量子比特量子計算機上運行的混合算法，可以幫助找到一種名為 KRAS 的細(xì)胞信號傳導(dǎo)蛋白的新抑制劑，這種蛋白在癌癥中經(jīng)常發(fā)生突變。在算法設(shè)計并排序了 100 萬種不同的潛在 KRAS 抑制劑后，研究人員合成了 15 種最有希望的候選藥物?；诩?xì)胞的測試表明，其中兩種化合物效果良好，為進一步測試奠定了基礎(chǔ)。
論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2402.08210
尋找新藥并不是唯一的目標(biāo)。PASQAL 的研究人員還希望預(yù)測哪些候選藥物會失敗。即使?jié)撛谒幬镌趯嶒炇已芯恐斜憩F(xiàn)出色，許多藥物在人體測試時也會引發(fā)毒副作用。在人體試驗前淘汰有毒藥物可以為公司節(jié)省數(shù)百萬美元。在最初的嘗試中，Henry 和他的 PASQAL 同事使用他們的 32 量子比特計算機通過高分辨率建模 286 種化合物的結(jié)構(gòu)，并將其與已知會導(dǎo)致小鼠癌癥的 349 種化合物進行比較來預(yù)測它們的毒性。
在 2023 年 4 月發(fā)表在《Physical Review A》上的一篇論文中，他們報告說，他們的量子算法給出的結(jié)果與最佳經(jīng)典替代方案相當(dāng)?！肝覀冋谟谜鎸嵉纳锘瘜W(xué)數(shù)據(jù)集解決一個真正的問題?！筆ASQAL 的首席技術(shù)官 Lo?c Henriet 說。
論文鏈接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.107.042615
早期的工作只是對更大更好的機器可能帶來的結(jié)果的初步了解。谷歌和 IBM 的路線圖表明，科學(xué)家很快就會擁有數(shù)十萬個量子比特可供使用。而 Quantinuum 表示，它即將發(fā)布一款新的量子芯片，在賽道上換取一個更大的 2D 網(wǎng)格，可以處理更多的高保真離子量子比特。化學(xué)家們寄予厚望?！肝覀冋J(rèn)為，通過這種方式還有很多工作要做，以加速化學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)，」Bilodeau 說。「我們正處于轉(zhuǎn)折點。」
量子計算領(lǐng)域本身也將從中受益，因為其他領(lǐng)域的研究人員也看到了這項奇特技術(shù)帶來的切實回報。「一旦量子計算能力得到提升，它將成為藥物研發(fā)不可或缺的一部分，」Insilico Medicine Canada 總裁 Petrina Kamya 說道。「它將持續(xù)存在?！?/p>
參考內(nèi)容：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.107.042615