勃林格殷格翰 x 谷歌：量子计算开启药物研发新时代

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量子计算意味着下一次技术革命，它将助力我们解决许多目前最强大的超级计算机也无法解决的问题，如破解数据加密技术、预测金融市场表现以及解决分子结合等化学问题——这也是勃林格殷格翰最为看重的前景。它将促使人们用更好的途径发现药物，为全球医学进步做出贡献。

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传统计算机使用大量二进制开关处理信息，这些开关可以被置为0或1。随着我们想要解决的问题越来越复杂，我们正在建造的计算机算力也越来越强大。但在某个时候，它们终将达到极限。

传统计算机很快将无法开展包括分子动力学计算在内的化学模拟。假设我们成功建立了一个分子模型，其中包括它的电子。现在在此基础上，我们向这个分子中添加一个原子，它的电子将与系统中所有其他电子以及原子核相互作用，我们需要追踪这些额外的交互关系。我们向这个分子系统中每加入一个电子，所需要的计算资源就会翻一番。这意味着计算的复杂度在内存和时间上都会呈指数级增长。显而易见，在这种情况下，传统计算机很快就会达到极限。

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与二进制开关（比特）不同，量子计算机使用具有量子力学特性的量子比特。第一种特性是叠加态：一个量子比特可以同时存在两种不同的状态。第二种特性是纠缠态，指的是粒子之间的某种量子力学联系，形成一个不可分割并且在经典物理学意义上无法解释的系统。

这一点为何如此重要？因为分子也是量子系统，如果我们想准确地描述分子，我们就需要反映它的量子特性，这就需要指数级提升传统计算机的计算资源。而相对应的是，量子计算机是模拟量子系统的最佳手段，因为它本身就具备了量子特性。早在20世纪80年代，著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）率先提出了量子计算机的概念。

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举例说明量子比特所能产生的巨大计算能力：如果将三个经典比特位相互组合，可以产生八种不同的可能性：000、001、010等等。这三个比特位在任何给定时间只能处于这八种状态之一。但在量子力学意义上，三个量子比特可以同时处在所有可能的状态组合（即叠加态）。

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数字研究领域通常认为，每一项科学原理都可以应用于计算机领域。20世纪80年代，人们开始考虑根据量子力学定律设计计算机。第一批量子位（物理量子比特）在20世纪90年代打造成功，但直到过去五年间，我们才具备了能够精确控制大量量子比特的硬件。困难在于量子计算机与环境之间的相互作用，例如光子的杂散，以及振动，甚至于量子比特本身的控制难度，都会导致噪音干扰，从而破坏量子计算的输出精度。我们是否能够充分管理这些问题，从而实现有用的计算尚不明朗。

另一种方法是在纠错基础上设计出一个完美的逻辑量子比特，这将是打造容错量子计算机的理想方式。我们有望在十年内建造一台可用的容错量子计算机。但这是一个巨大的挑战，可以类比20世纪60年代人类希望飞往月球的想法。

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分子的构成非常复杂，传统计算机无法精确模拟其粒子（如电子）之间的相互作用。目前，我们只能使用大量近似值来计算药物研发所需的分子性质。这意味着计算得出的性质是近似的，需要湿式实验室实验和患者研究来进一步验证候选药物的有效性。对于世界上所有制药公司而言，这都需要花费大量的时间和资源。量子计算机拥有更高的精确度与效率，有望助力研究者开发更好的药物。

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毫无疑问，仍有许多工作要做。但我很乐观，因为我们在软件、硬件和具体使用案例这三个关键领域中都在不断取得进展。这也是勃林格殷格翰与谷歌量子AI实验室合作的原因之一。

我们重点关注量子计算机何时能够投入应用，为勃林格殷格翰等全球制药企业建模分子系统。展望未来，我们需要再次强调处理误算的两种方法。如果我们能够充分抑制破坏性的环境噪音，我认为在三到五年内有望达到目标。但如果容错量子计算机是处理误算的唯一手段，我们可能需要长达十年的时间。容错量子计算的出现将预示着一个真正的新时代，我对此抱有信心。

Elica Kyoseva博士

勃林格殷格翰担任量子计算科学家

RYAN BABBUSH博士

谷歌量子AI实验室量子算法负责人