量子计算“助力”疫苗研发！也许未来，只用几天就够了
最后更新：2020-05-18 11:44:24 手机定位技术交流文章
六个月过去了，新的冠状肺炎疫情仍未结束。
现在，这场新的冠状肺炎大流行给我们上了什么深刻的一课？答案是唯一的。我们必须在流行病演变成“大流行病”之前，更快地进行识别和应对。因为病毒比以往传播得更快、更远、更频繁。
在过去的几十年里，我们在提高快速检测能力方面取得了巨大的进步。科学家利用这项新技术仅用了12天就在新冠状病毒外提取出了“尖峰蛋白”，而在20世纪80年代，对艾滋病毒进行类似的结构分析花了4年时间。
尽管自1918年流感大流行以来，我们识别和治疗流行病的能力有了很大提高，但仍有很大提高空。如今，开发一种治疗方法或疫苗仍然需要很长时间，而且成本非常高。大型制药公司并不总是有尝试的动机。
(来源:Pixabay)
那么，在药物和疫苗研发过程中，如何实现“更快的鉴定”？以色列量子计算初创企业量子机器公司的量子硬件工程师雷蒙·斯穆克认为，经典计算机不再工作，量子计算机将是更好的解决方案。
药物研发企业家努尔·沙克教授曾经说过，“一旦发现一种疾病，它将开始一个‘化学空的新旅程，并开始寻找一种可能对治疗该疾病有用的药物。你必须筛选数百万个分子，但是由于缺乏样本和不准确的行为预测，大约99%的选择线索将在研发过程中失败。"
钩环强调了当前药物发现过程中的一个主要问题:药物开发高度经验性。分子是经过制造和测试的，但它们的性能无法事先准确预测。测试过程漫长、繁琐且乏味，并且可能无法预测仅在大规模部署中会出现的问题，从而进一步降低该领域的成本效益比。尽管机器学习等人工智能技术已经被用于优化某些过程，但它们在关键任务中的效率仍然有限。
吸烟者认为，理想情况下，减少时间和成本的一个好方法是将实验室中昂贵和低效的发现和测试过程转移到计算机模拟。
如果有足够的计算力，我们可以简单地扫描这些数据库，计算每个分子是否可以用作新的冠状病毒药物治疗或疫苗的基础。那时，只有要考虑的因素需要被输入到模拟中以找到问题的解决方案。
原则上，这是可以实现的。毕竟，化学结构是可以测量的，控制化学的物理定律也是众所周知的。
然而，英国物理学家保罗·狄拉克曾经说过，“对于大多数物理和化学的数学理论来说，物理的基本定律是完全已知的，但困难在于这些定律的精确应用使得方程太复杂而无法求解。”换句话说，我们没有计算能力来解这个方程。如果我们坚持使用经典计算机，我们将永远不会。
化学中的基本问题是找出电子在分子中的位置，并计算这种分子结构的总能量。有了这些数据，我们可以计算分子的性质并预测它们的行为。这些特征的精确计算将有助于筛选具有特定功能的化合物的分子数据库。例如，药物分子可以附着在新冠状病毒的“尖峰蛋白”上并攻击它。本质上，如果我们能使用计算机精确计算分子的性质，并预测特定条件下分子的行为，那么我们就能加快发现治疗方法的进程。
吸烟者说量子计算机在这方面远远优于经典计算机。
电子以强烈相关的方式分散在分子上。每个电子的特性在很大程度上取决于它周围的电子。这些量子关联(或纠缠)是量子理论的核心，用经典计算机模拟电子将非常困难。
例如，新冠状病毒的电子必须被视为具有多个自由度的单个实体的一部分，并且对这种整合的描述不能被划分为单个的、可区分的电子的总和。由于它们的强相关性，电子失去了它们的个性，必须作为一个整体来对待。
因此，要解这个方程，我们需要同时考虑所有的电子。虽然传统的计算机在原理上可以模拟这种分子，但是每个多电子结构都必须单独存储在存储器中。
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假设我们有一个只有10个电子的分子(暂时不考虑原子的其余部分)，每个电子在分子中可以有两个不同的位置。本质上，我们需要记录1024种不同的分子结构，而不仅仅是10个电子。我们需要1024个经典比特来存储这个分子的状态。另一方面，量子计算机有量子位，它们可以像分子中的电子一样相互之间产生很强的关联。因此，在这个模型系统中，我们只需要大约10个这样的量子位来代表强相关电子。
分子中电子构型的大指数参数空正是自然量子比特空。因此，量子位更适合模拟量子现象。
经典计算和量子计算之间的差异将很快变得非常大。例如，要模拟青霉素，一个有41个原子和更多电子的分子需要10 86个经典位，或者宇宙中有更多的原子。如果我们使用量子计算机，我们只需要大约286个量子位。这仍然比我们今天拥有的量子位要多得多，但它肯定是一个更合理和可实现的数字。
相比之下，新冠状病毒外的“尖峰蛋白”含有数万个原子，因此在经典计算中完全难以处理。蛋白质的大小使得用经典的模拟方法精确模拟它们变得困难，即使是在今天最强大的超级计算机上。化学家和制药公司确实在使用超级计算机来模拟分子(虽然没有蛋白质那么大)，但他们目前使用的是非常粗糙的分子模型，无法捕捉完整模拟的细节，从而导致模拟中的巨大误差。
吸烟者承认，我们可能还得等几十年，才能建造一台能够模拟蛋白质大小分子的量子计算机。然而，一旦这种计算机出现，就意味着制药和化学工业的运作模式将彻底改变。
量子计算机的不断发展将有可能发现端到端的硅氧烷药物和药物制造程序。几十年后，有了适当的技术，我们可以将药物和疫苗研发的整个过程转移到计算机模拟，并以惊人的速度获得结果。一旦出现新的流行病，科学家可以在几天内识别并开发出潜在的药物或疫苗。
药物研发的难度将从药物发现阶段转移到人体试验阶段，以验证安全性和有效性。最终，在大规模量子计算机的帮助下，甚至测试的最后阶段也可能加速。
然而，这种水平的测试需要一台更强大的量子计算机，它具有足够的计算能力来模拟人体(或人体的一部分)，筛选出候选化合物，并模拟它们对人体的影响。
为了实现这个梦想，我们需要不断投资量子计算产业。正如加拿大量子物理学家肖希尼·高斯在他的Ted演讲中所说，“你不能通过制造越来越好的蜡烛来制造灯泡。灯泡是基于更深入的科学理解的不同技术。”
今天，我们不能使用更强大的经典计算机来解决药物和疫苗的快速研发问题。它需要更适合这项任务的新技术。
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