新型算力满足人类对计算需求的增长——量子计算应用思享会侧记

2023年12月11日中央经济工作会议上强调，要以科技创新引领现代化产业体系建设，“开辟量子、生命科学等未来产业新赛道”。量子计算是一种新型算力，是方兴未艾的第二次量子信息技术革命的产物，对满足人类日益增长的算力需求具有十分重大的意义，也是世界各国争夺未来产业制高点的重要战场。

12月21日下午，上海市工程师学会、长三角国家技术创新中心、上海技术交易所在上海科学会堂共同举办了一场以“量子计算在材料行业的应用探索”为主题的量子计算应用思享会。与会专家就量子计算技术在化学、新材料研发上潜在应用的必要性、可行性进行了热烈研讨。

国仪量子量子计算事业部总经理吴亚作了题为《量子计算硬件发展情况介绍》的报告，微观纪元创始人兼CEO吕川博士作了题为《量子计算在化学模拟中的应用》的报告，中国科学院上海查新中心副主任陈大明作了题为《从材料到生物医药需求看量子计算的潜在应用》的报告。上海工业经济联合会专家委员会副主任张培璋、上海市新材料协会秘书长何扣宝等10余名专家学者进行了交流。

量子计算具有强大的计算潜力

“经典计算中的摩尔定律面临失效。”吴亚说，摩尔定律是指集成电路中的晶体管数量每隔18—24个月翻一番，同时芯片的成本也会相应降低一半。这个定律自提出以来一直在过去几十年中得到验证，但随着时间推移，芯片制程逐渐遇到瓶颈，摩尔定律逐渐开始失效，行业应用对计算能力的要求逼近经典极限。

他说，算力的发展与变迁是从传统计算机到高性能计算机，再到量子计算机。微观世界中，物质和能量的变化趋于不连续，这种不连续的最小量对应一个“量子”。若一个量子计算机可以同时操纵N个量子比特，那它就可以同时操纵2^N个状态，其中每个状态都是一个N位的经典比特。当N为300时，N个量子比特所能同时表示的状态数量超过已知宇宙中原子数目的总和。因此，量子计算在计算上将有指数级的速度。

当前，量子计算机主流技术路线为超导量子计算机与离子阱量子计算机。超导量子计算机的优势主要是与传统芯片工艺的相似性，以及误差率相对较低、逻辑操作速度较快等；其劣势主要是接近绝对零度、冷却系统复杂等。离子阱量子计算机的优势主要是离子比特具有较长的量子相干时间，以及可通过逐步增加离子数目来扩展等；其劣势是需要非常稳定的实验环境，以及阱内量子数量需要持续突破。

吴亚介绍了国仪量子的离子阱量子计算机ION I，它囚禁一维离子晶体数量超过100个，可以实现12个离子的全操控。最大离子囚禁数量、全操控离子数量以及囚禁离子时间等核心指标均处于世界前列。在小规模量子比特门操控保真度、退相干时间等核心指标上，已基本实现超越。

长三角量子技术产业和应用实践要协同创新

会议强调，随着量子计算机开发不断进展，量子计算的行业应用也提到日程上来。国际上，跨国公司已经在化工、材料、生物医药、新能源、金融、物流等领域开展了量子计算实际应用的项目实践，以抢占未来产业的制高点和话语权。长三角量子产业技术要协同创新，建设世界级量子研究中心和创新创业高地。

吕川博士从“微观纪元”的发展谈长三角协同创新的重要性。合肥微观纪元数字科技有限公司成立于2022年，同年成立了上海观元知止数字科技有限公司，主要结合场景应用进行技术研发。他们已成功服务多家药企与高校院所，在小分子药物设计、PROTAC、mRNA、抗体/抗原、酶设计优化等方面积累了丰富经验，参与了多项国家级省部级科研重点研发计划。

他说，在当前的带噪声的中型量子计算机（NISQ）阶段，量子计算机并不能解决通用的问题，然而在一些特定领域则可能展现其计算能力的优越性，与经典计算机结合，分别发挥各自的优势，能够形成更优化的算力资源。

微观纪元团队利用量子编码技术，成功揭示了化学体系的量子纠缠结构，发展出一套稳定子算法，先后精确计算出氢气分子、苯分子等基团的基态曲线，取得了量子计算在量子化学领域国际领先的应用成果。该成果应用于微观纪元团队开发的小分子化学药物筛选管线，以及与合肥阿法纳公司合作的mRNA研究计算管线，能够提高小分子化学药物、mRNA抗体抗原药物等设计计算过程的精准度，提升药物设计成功概率。

在小分子化药设计方面，微观纪元与深圳埃格林医药有限公司密切合作。埃格林提供病症靶点，微观纪元使用其具有量子计算功能的药物筛选管线加速药物发现流程。双方共同研发的药物目前已经推进到了临床阶段，推进速度远远快于传统药物研发流程。

微观纪元与国内领先的mRNA药物研发商合肥阿法纳生物科技有限公司形成了更为紧密的合作模式。2023年9月24日，在量子产业大会上，微观纪元与阿法纳携手发布了国内首个、国际第二个结合人工智能与量子计算的mRNA药物设计平台。

量子计算的潜在应用领域极其广泛

陈大明的报告列举了大量国际上的量子应用案例，包括德国量子技术与应用联盟采用混合策略，让量子计算辅助更精准的计算。

奔驰与IBM合作，在下一代锂硫电池研发方面，用量子计算进行分子模拟的主要目的是找到化合物的“基态”——最稳定的构型。

陈大明分析量子计算大量应用案例后指出，新药开发中的模拟、优化与学习结合需要量子计算技术支撑。为此，许多大企业在量子生命科学领域进行了国际布局。克利夫兰诊所部署首台生命健康专用的量子计算机IBMQuantum System One，用于药物筛选、疾病的量子增强预测模型、组学数据分析、量子人工智能应用。诺和诺德基金会2022年宣布投入2亿美元制造的量子计算机用于开发新药，并为气候变化提供洞见。

陈大明说，展望未来，混合计算加新算法开发，等同于提升分子计算能力，升级量子计算创新及产业生态，以及量子计算机开发的进步。

讨论环节由上海科学院原院长孙正心研究员主持。与会专家对如何开展量子计算应用的方式、应用场景的开发、产学研合作的模式等主题展开热烈讨论。专家指出，当前量子计算机的开发还没有完全成熟，量子计算的实际应用还存在诸多瓶颈和困难，因此量子计算产业发展和在相关领域的应用实践，还有很长的道路；这是我们国家在未来产业发展中参与国际竞争的重要赛道，绝不能等、靠，必须通力合作、砥砺前行、长期坚持，未来要在这个赛道上胜出，只有立即行动。

与会的张培璋、何扣宝，以及中国石化上海石油化工研究院研究员王传明、上海大学材料基因组工程研究院教授陆文聪、上海市制造业创意促进中心副主任王晶、复旦大学数学科学学院研究员李颖洲、华东理工大学副研究员高粱、华谊上海化工研究院有机化工研究所副总工沈安、长三角国家创新中心高级经理王欢等专家提出了宝贵建议。