量子将如何影响生物技术行业？

原子物理学和治疗疾病背后的技术听起来像是不同的领域。 然而，在过去的几十年里，人工智能、传感、模拟等方面的进步对生物技术行业产生了巨大影响。

量子计算提供了一个机会，可以通过每个领域的计算速度和/或准确性来扩展这些进步。 现在是企业、商业组织和研究机构开始探索如何利用量子解决各自领域问题的时候了。

作为 IBM 量子实践的合作伙伴，我很高兴与 Moderna 计算科学副总裁兼数字研究主管 Wade Davis 一起工作，推动医疗保健领域的量子创新。 下面，您将看到我们分享的关于生物技术量子计算未来的一些观点。

什么是量子计算？

量子计算是一种新型计算机处理技术，它依靠控制原子行为的科学来解决对于当今最快的超级计算机来说过于复杂或不切实际的问题。 我们不期望量子取代经典计算。 相反，量子计算机将作为高度专业化和互补的计算资源来运行特定任务。

经典计算机就是您阅读此博客的方式。 这些计算机以 0 和 1 的字符串表示信息，并通过使用一组逻辑运算来操纵这些字符串。 结果是计算机的行为具有确定性——这些操作具有明确定义的效果，并且一系列操作会产生单一结果。 然而，量子计算机是概率性的——相同的操作序列可能会产生不同的结果，从而允许这些计算机同时探索和计算多个场景。 但这本身并不能解释量子计算的全部威力。 量子力学为我们提供了一种经过调整且违反直觉的概率版本，使我们能够运行经典计算机无法进行的计算。

因此，量子计算机使我们能够评估现有问题的新维度，并探索当今无法进入的全新领域。 它们以更接近自然本身的方式进行计算。

如前所述，我们并不期望量子计算机取代经典计算机。 每一种都有其优点和缺点：虽然量子将擅长运行某些算法或模拟自然，但经典仍将承担大部分工作。 我们预计未来程序会将量子计算和经典计算结合在一起，并在更合适的地方依赖每一种计算。 量子将扩展经典的力量。

释放新潜力

在快速成熟的量子硬件和软件环境中，形成了一套核心企业应用。 以下问题的共同点是许多变量、似乎很好地映射到量子力学规则的结构，以及使用当今 HPC 资源解决这些问题的困难。 它们大致分为三类：

• 高等数学和复杂数据结构。 量子力学的多维性质提供了一种解决具有多个移动部件的问题的新方法，从而能够为计算复杂的问题提供更好的分析性能。 即使人工智能和生成式人工智能最近取得了革命性的进步，量子计算也有望识别和识别经典训练的人工智能无法检测到的模式，特别是在数据稀疏和不平衡的情况下。 对于生物技术而言，这可能有利于梳理数据集以发现趋势，从而识别和个性化针对细胞水平疾病的干预措施。
• 搜索和优化。 企业对于解决复杂的组合和黑盒问题有很大的兴趣，以便为战略规划和投资产生更可靠的见解。 尽管还很遥远，但量子系统正在被深入研究，因为它们能够同时考虑广泛的计算，通过生成统计分布，解锁许多有前途的机会，包括快速识别蛋白质折叠结构和优化测序以推进 mRNA 的能力为基础的治疗方法。
• 模拟自然。 量子计算机自然地重新创建原子甚至亚原子粒子的行为，这使得它们对于模拟物质与其环境的相互作用非常有价值。 这为设计新药物以对抗生物技术行业内的新疾病开辟了新的可能性，更广泛地说，为发现能够实现碳捕获和优化能量存储以帮助各行业应对气候变化的新材料提供了新的可能性。

在 IBM，我们认识到我们的角色不仅是提供世界领先的硬件和软件，而且是将这些领域的量子专家与非量子领域专家联系起来，以更快地实现有用的量子计算。 为此，我们召集了五个工作组，涵盖医疗保健/生命科学、材料科学、高能物理、优化和可持续性。 每个工作组都会亲自聚集在一起，产生想法并促进合作，然后这些合作共同开展量子算法的新研究和特定领域的实现。

随着算法发现和开发的成熟以及我们将重点扩展到现实世界的应用程序，商业实体也正在从实验性概念验证转向将集成到其工作流程中的公用事业规模原型。 未来几年，世界各地的企业将投资提升人才技能，并为组织做好迎接量子计算到来的准备。

如今，一个组织的量子计算准备度得分最受其运营模式的影响：如果一个组织投资了一个团队和一个流程来管理其量子创新，那么他们比那些只专注于技术而不对其人才进行相应投资的同行处于更好的位置和创新过程。 IBM 商业价值研究院 | 研究见解：让量子准备成为现实

在转向有用的量子计算的行业中，生物技术行业正在迅速探索量子计算如何帮助降低成本并加快发现、创建和分发治疗方法所需的时间，从而改善健康、慢性病患者的福祉和生活质量。 根据 BCG 的《量子计算正在商业化》报告：“十大生物制药公司中有八家正在试点量子计算，其中五家已与量子提供商合作。”

与 IBM 合作

量子计算的最新进展为解决经典计算机难以解决的复杂组合问题开辟了新途径。 在这些挑战中，mRNA 二级结构的预测是分子生物学中的一项关键任务，影响着我们对基因表达、调控和基于 RNA 的疗法设计的理解。

例如，Moderna 一直是生物技术量子开发的先驱。 从大流行中脱颖而出，Moderna 确立了自己作为生物技术领域改变游戏规则的创新者的地位，十年来的广泛研发使他们能够利用其技术平台以创纪录的速度提供 COVID-19 疫苗。

了解更多：Moderna 如何使用脂质纳米颗粒 (LNP) 传递 mRNA 并帮助对抗疾病

考虑到他们的平台方法的价值，也许量子可能会进一步提高他们进行 mRNA 研究的能力，比以往更有效地提供大量新型 mRNA 疫苗。 这就是 IBM 可以提供帮助的地方。

作为第一步，Moderna 正在与 IBM 合作，针对经典 CPlex 蛋白质分析求解器对量子计算应用进行基准测试。 他们正在评估一种名为 CVaR VQE 的量子算法在随机生成的 mRNA 核苷酸序列上的性能，以与当前最先进的技术相比准确预测稳定的 mRNA 结构。 他们的发现证明了量子计算在提供对 mRNA 动力学的见解方面的潜力，并为通过量子算法推进计算生物学提供了一个有前途的方向。 下一步，他们希望将量子序列长度推向超出 CPLEX 处理能力的范围。

这只是借助量子计算改变生物技术流程的众多合作之一。 生物技术企业正在使用 IBM Quantum Systems 在真正的公用事业规模量子硬件上运行其工作负载，同时利用 IBM Quantum Network 跨领域共享专业知识。 通过我们更新的 IBM Quantum Accelerator 计划，企业现在可以为其组织提供实践指导，以识别用例、设计工作流程并开发使用量子计算来产生业务影响的公用事业规模原型。

现在正是开始量子之旅的最佳时机——今天就开始吧。

带来有用的量子计算
致全世界