量子计算能够开启对衰老的新认识 深刻改变生物研究

量子计算能够开启对衰老的新认识 深刻改变生物研究 在《计算分子科学》（WIREs Computational Molecular Science）杂志的一篇新论文中，来自临床阶段人工智能（AI）驱动的药物发现公司Insilico Medicine（以下简称"Insilico"）的研究人员展示了如何将量子计算整合到生物体研究中，以便更深入地了解衰老和疾病等生物过程。2023 年 5 月，Insilico、多伦多大学加速联盟和富士康研究院发表研究成果，成功证明了量子生成对抗网络在生成化学中的潜在优势。这些研究成果发表在美国化学学会的《化学信息与建模期刊》上。生物网络是相互关联的。就像只知道配料不足以理解如何烹制一道菜肴一样，只知道基因或蛋白质的清单也不足以理解它们是如何相互作用的。资料来源：Insilico Medicine在这篇最新论文中，Insilico 的研究人员全面介绍了如何将人工智能、量子计算和复杂系统物理学的方法结合起来，帮助研究人员推进对人类健康的新认识，并详细介绍了物理学引导的人工智能领域的最新突破。他们写道，虽然人工智能已成为帮助研究人员处理和分析大型复杂生物数据集的宝贵工具，从而找到新的疾病途径，并在细胞水平上将衰老和疾病联系起来，但在将这些见解应用于体内更复杂的相互作用方面，人工智能仍面临挑战。研究人员指出，为了全面了解生物体的内部运作，科学家们需要多模式建模方法，以管理三个关键领域的复杂性：规模的复杂性、算法的复杂性以及数据集日益增加的复杂性。生物学对量子计算的需求"虽然我们不是一家量子公司，但利用新的混合计算解决方案和超标量器提供的速度优势的能力非常重要。随着这种计算成为主流，我们就有可能进行非常复杂的生物模拟，并发现针对各种疾病和年龄相关过程的具有理想特性的个性化干预措施。我们很高兴看到我们在阿联酋的研究中心能在这一领域提出有价值的见解，"合著者、Insilico Medicine 公司创始人兼联合首席执行官亚历克斯-扎沃龙科夫（Alex Zhavoronkov）博士说。生物系统内的生物过程从细胞到器官再到整个身体，系统之间存在大量复杂的相互作用。解释这些过程需要在多个尺度上同时进行。而生物数据的获取已经达到了以前无法想象的水平。例如，"千人基因组计划"（1000 Genomes Project）是一个人类基因变异目录，已发现 900 多万个单核苷酸变异（SNV）；英国生物库（UK Biobank）包含了英国志愿者的 50 万个基因组的完整序列。我们需要庞大的计算能力来分析和处理这些数据。在每一个层次上，都有一种最常用的方法来研究这一层次的组织。人工智能在每个层次都显示出潜力。量子计算为加快人工智能求解器和传统技术的速度并提高其效率提供了可能。资料来源：Insilico Medicine研究人员写道，量子计算在增强人工智能方法方面具有得天独厚的优势允许研究人员同时对生物系统的多个层面进行解释。由于量子比特能同时保持 0 和 1 的值，而经典比特只能保持 0 或 1 的值，因此量子比特的计算速度和能力都大大提高。作者指出，量子计算已经取得了重大进展，其中包括 IBM 最近首次推出的公用事业级量子处理器和该公司首台模块化量子计算机，后者已经开始运行。最后，作者呼吁采用物理学指导的人工智能方法来更好地理解人类生物学这是一个将基于物理学的模型和神经网络模型相结合的新领域，他们写道，这个领域已经在进行中。通过结合人工智能、量子计算和复杂系统物理学的方法，科学家们可以更好地理解，正如作者所写的那样，"细胞、生物体或社会中较小尺度元素的集体互动如何产生可在较大尺度和现实层面上观察到的突发特征"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

ETH研究人员利用静态电场和磁场成功捕获离子 并用其进行量子运算

ETH研究人员利用静态电场和磁场成功捕获离子 并用其进行量子运算 在离子阱中使用振荡电磁场限制了量子计算机目前可实现的量子比特数量。现在，苏黎世联邦理工大学的研究人员在一个微加工芯片上制造出了一个离子阱，只使用静态场电场和磁场就能在其中进行量子运算。在这种阱中，离子可以向任意方向传输，一个芯片上可以安装多个这样的阱。ETH 研究人员的实验装置。阱芯片位于银色穹顶下方的容器内，其中的透镜可以捕捉到被困离子发出的光。图片来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学 / Pavel Hrmo原子中电子的能量状态遵循量子力学定律：它们不是连续分布的，而是被限制在某些定义明确的值中这也被称为量子化。这种量子化状态是量子比特（qubit）的基础，科学家们希望用它来制造极其强大的量子计算机。为此，原子必须冷却并被困在一个地方。强捕获可以通过电离原子来实现，也就是给原子带上电荷。然而，电磁学的一个基本定律指出，时间恒定的电场无法捕获单个带电粒子。另一方面，通过加入一个振荡电磁场，就可以得到一个稳定的离子阱，也称为保罗阱。通过这种方法，近年来已经可以用离子阱制造出包含约 30 个量子比特的量子计算机。然而，这种技术无法直接实现更大的量子计算机。振荡场使得很难在单个芯片上组合多个这样的阱，而且使用振荡场会使阱发热系统越大，问题越严重。同时，离子的传输仅限于沿着交叉连接的线性部分通过。在二维平面上移动单个受困离子并用激光束照射，研究人员就能制作出 ETH 的标志。图像是通过多次重复传输序列的平均值形成的。资料来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学/量子电子研究所带磁场的离子阱由乔纳森-霍姆（Jonathan Home）领导的苏黎世苏黎世联邦理工大学研究小组现已证明，适合量子计算机使用的离子阱也可以使用静态磁场而不是振荡磁场来构建。在这些带有额外磁场的静态阱（称为潘宁阱）中，未来超级计算机的任意传输和必要操作都得以实现。研究人员最近在科学杂志《自然》上发表了他们的研究成果。博士生 Shreyans Jain 说："传统上，当人们想要俘获非常多的离子进行精密实验时，就会使用潘宁陷阱，但无需对它们进行单独控制，相比之下，在基于离子的小型量子计算机中，则使用保罗陷阱。"苏黎世联邦理工大学的研究人员提出的利用潘宁陷阱制造未来量子计算机的想法最初遭到了同事们的质疑。原因有很多：潘宁陷阱需要极强的磁铁，而磁铁非常昂贵且体积庞大。此外，以前实现的潘宁陷阱都非常对称，而 ETH 使用的芯片级结构却违反了这一点。将实验置于大型磁铁中，很难引导控制量子比特所需的激光束进入陷阱，而强磁场会增加量子比特能态之间的间距。这反过来又使控制激光系统变得更加复杂：不再需要一个简单的二极管激光器，而是需要几个锁相激光器。使用过的潘宁阱中间部分示意图。通过不同电极（黄色）产生的电场和磁场的组合，离子（红色）被俘获。资料来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学/量子电子学研究所任意方向的传输然而，霍姆和他的合作者们并没有被这些困难吓倒，他们在布伦瑞克物理技术苏黎世联邦理工大学（Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig）制造的超导磁体和带有多个电极的微加工芯片的基础上，建造了一个潘宁陷阱。使用的磁铁能提供 3 特斯拉的磁场，比地球磁场强近 10 万倍。苏黎世的研究人员利用低温冷却镜系统，成功地将必要的激光穿过磁铁照射到离子上。它们的努力终于有了回报：一个被捕获的离子可以在捕获器中停留数天，现在可以在芯片上任意移动，通过控制不同的电极"如飞"连接各点这是以前基于振荡场的旧方法无法实现的。由于诱捕不需要振荡场，因此可以在一块芯片上安装许多诱捕器。作为博士生参与实验的托比亚斯-赛格瑟（Tobias Sägesser）说："一旦充好电，我们甚至可以将电极与外界完全隔离，从而研究离子受外界影响的干扰程度。"质子的相干控制研究人员还证明，在保持量子力学叠加的同时，还可以控制被困离子的量子比特能态。相干控制既适用于离子的电子（内部）状态和（外部）量子化振荡状态，也适用于内部和外部量子态的耦合。后者是产生纠缠态的先决条件，而纠缠态对量子计算机非常重要。下一步，霍姆希望在同一芯片上的相邻潘宁陷阱中俘获两个离子，从而证明也可以进行多个量子比特的量子操作。这将是利用潘宁陷阱中的离子实现量子计算机的最终证明。教授还考虑了其他应用。例如，由于新陷阱中的离子可以灵活移动，它们可以用来探测表面附近的电场、磁场或微波场。这就为利用这些系统作为表面特性的原子传感器提供了可能性。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

突破性方法生产的超纯硅有望引发量子计算革命

突破性方法生产的超纯硅有望引发量子计算革命 项目联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森（David Jamieson）教授说，今天（2024年5月7日）发表在《自然》杂志《通讯材料》（CommunicationMaterials）上的这一创新成果，使用了植入纯稳定硅晶体中的磷原子量子比特，通过延长众所周知的脆弱量子相干的持续时间，可以克服量子计算的一个关键障碍。"脆弱的量子相干性意味着计算误差会迅速积累。有了我们的新技术提供的强大相干性，量子计算机可以在几小时或几分钟内解决一些传统或'经典'计算机甚至超级计算机需要几个世纪才能解决的问题，"杰米森教授说。当一个量子比特（如原子核、电子或光子）处于多种状态的量子叠加时，它就是一个量子物体。当量子比特恢复到单一状态时，相干性就会消失，变成像传统计算机比特那样的经典物体，而传统计算机比特永远只有一个或零，永远不会处于叠加状态。量子比特或量子比特量子计算机的构件容易受到环境微小变化的影响，包括温度波动。即使在接近绝对零度（零下 273摄氏度）的宁静冰箱中运行，目前的量子计算机也只能在极短的几分之一秒内保持无差错的一致性。曼彻斯特大学的联合导师理查德-库里（Richard Curry）教授说，超纯硅允许构建高性能量子比特器件，而这是为可扩展量子计算机铺平道路所需的关键部件。"我们所能做的就是有效地创造出构建硅基量子计算机所需的关键'砖块'。库里教授说："这是创造一项有可能改变人类的技术的关键一步。"主要作者、墨尔本大学/曼彻斯特大学联合培养的博士生 Ravi Acharya 在曼彻斯特大学 P-NAME 聚焦离子束实验室准备硅芯片，以便进行富集。资料来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学领衔作者、曼彻斯特大学/墨尔本大学库克森联合学者拉维-阿查里亚说，硅芯片量子计算的最大优势在于它使用了与制造当今计算机芯片相同的基本技术。"目前，日常计算机中的电子芯片由数十亿个晶体管组成，这些晶体管也可用于制造硅量子设备的量子比特。迄今为止，制造高质量硅量子比特的能力部分受限于所用硅起始材料的纯度。我们在这里展示的突破性纯度解决了这一问题"。贾米森教授说："新型高度纯化的硅计算机芯片可以容纳和保护量子比特，使它们能够更长时间地保持量子相干性，从而能够进行复杂的计算，并大大减少纠错的需要。我们的技术为可靠的量子计算机开辟了道路，有望在人工智能、安全数据和通信、疫苗和药物设计以及能源利用、物流和制造等领域为整个社会带来阶跃式变革。"硅由不起烟的海滩沙制成，是当今信息技术产业的关键材料，因为它是一种丰富而多用途的半导体：它可以作为电流的导体或绝缘体，具体取决于添加到其中的其他化学元素。贾米森教授说："其他人正在尝试使用替代品，但我们相信硅是量子计算机芯片的主要候选者，它将实现可靠的量子计算所需的持久相干性。"共同作者（左）David Jamieson 教授（墨尔本大学）和（右）Maddison Coke 博士（曼彻斯特大学）在曼彻斯特大学检查用于硅富集项目的 P-NAME 聚焦离子束系统。资料来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学他说："问题在于，虽然天然存在的硅主要是理想的同位素硅-28，但也有大约 4.5% 的硅-29。硅-29 在每个原子核中都有一个额外的中子，它就像一块微小的流氓磁铁，会破坏量子相干性并产生计算误差。"研究人员将一束聚焦的纯硅-28 高速射向硅芯片，使硅-28 逐渐取代芯片中的硅-29 原子，将硅-29 从百万分之四点五减少到百万分之二（0.0002%）。"好消息是，要将硅纯化到这种程度，我们现在可以使用一台标准机器离子注入机你可以在任何半导体制造实验室找到它，并根据我们设计的特定配置进行调整。"在之前发表的与澳大利亚研究理事会量子计算和通信技术卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）合作进行的研究中，墨尔本大学利用纯度较低的硅材料创造了 30 秒的单量子比特相干世界纪录，并且至今仍保持着这一纪录。30 秒的时间足以完成无差错的复杂量子计算。贾米森教授说："现有最大的量子计算机拥有1000多个量子比特，但由于失去了一致性，在几毫秒内就会出现错误。既然我们已经可以生产出极纯的硅-28，我们的下一步将是证明我们可以同时维持许多量子比特的量子相干性。一台仅有 30 个量子比特的可靠量子计算机在某些应用中的性能将超过当今的超级计算机。"这项最新研究工作得到了澳大利亚和英国政府的研究资助。贾米森教授与曼彻斯特大学的合作得到了英国皇家学会沃尔夫森访问学者奖学金的支持。据澳大利亚联邦科学与工业研究组织 2020 年的一份报告 估计，到 2040 年，澳大利亚的量子计算有可能创造 1 万个工作岗位和 25 亿美元的年收入。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用

研究人员利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用 巴塞尔大学在量子比特技术方面取得的进展为可扩展量子计算带来了希望，它利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用。全世界的研究人员都在探索各种量子比特技术，对实用量子计算机的追求正如火如荼地进行着。尽管做出了大量努力，但对于哪种类型的量子比特最能最大限度地发挥量子信息科学的潜力，人们仍未达成共识。量子比特是量子计算机的基础。它们负责处理、传输和存储数据。有效的量子位必须可靠地存储和快速处理信息。这就要求外部系统能够准确控制大量量子比特之间稳定、迅速的相互作用。当今最先进的量子计算机只有几百个量子比特。这就限制了它们执行传统计算机已经能够完成的计算，而且往往能更高效地完成。要想推动量子计算的发展，研究人员必须找到一种在单个芯片上容纳数百万量子比特的方法。电子和空穴为了解决数千个量子比特的排列和连接问题，巴塞尔大学和 NCCR SPIN 的研究人员依靠一种利用电子或空穴自旋（固有角动量）的量子比特。空穴本质上是半导体中缺失的电子。空穴和电子都具有自旋，可采用两种状态之一：向上或向下，类似于经典比特中的 0 和 1。与电子自旋相比，空穴自旋的优势在于它可以完全由电子控制，无需在芯片上安装微型磁铁等额外元件。两个相互作用的空穴自旋量子比特。当一个空穴（洋红色/黄色）从一个位点隧穿到另一个位点时，它的自旋（箭头）会因所谓的自旋轨道耦合而旋转，从而导致周围气泡所描述的各向异性相互作用。资料来源：NCCR SPIN2022 年，巴塞尔物理学家证明，现有电子设备中的空穴自旋可以被捕获并用作量子比特。这些"FinFET"（鳍式场效应晶体管）内置于现代智能手机中，并通过广泛的工业流程生产出来。现在，安德烈亚斯-库尔曼（Andreas Kuhlmann）博士领导的团队首次成功地在这种装置中实现了两个量子比特之间可控的相互作用。量子计算机需要"量子门"来执行计算。量子门"代表着操纵量子比特并将它们相互耦合的操作。研究人员在《自然-物理》杂志上报告说，他们能够将两个量子比特耦合起来，并根据其中一个量子比特的自旋状态，使另一个量子比特的自旋发生受控翻转这就是所谓的受控自旋翻转。"孔自旋使我们能够创建既快速又高保真的双量子比特门。"库尔曼说："现在，这一原理还使我们有可能将更多的量子位对耦合在一起。"两个自旋量子比特的耦合基于它们之间的交换相互作用，这种相互作用发生在两个静电相互作用的无差别粒子之间。令人惊奇的是，空穴的交换能不仅在电学上是可控的，而且具有很强的各向异性。这是自旋轨道耦合的结果，意味着空穴的自旋状态受其空间运动的影响。为了在模型中描述这一观察结果，巴塞尔大学和 NCCR SPIN 的实验物理学家和理论物理学家联手合作。库尔曼说："各向异性使得双量子比特门成为可能，而无需在速度和保真度之间进行通常的权衡。基于空穴自旋的量子比特不仅可以利用硅芯片久经考验的制造工艺，还具有高度的可扩展性，并在实验中被证明是快速和稳健的。这项研究强调，这种方法在开发大规模量子计算机的竞赛中大有可为。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

BBC：量子技术突破可能带来计算机革命

BBC：量子技术突破可能带来计算机革命 研究人员离实现制造多任务的“量子”计算机又近了一步，那将是比现有的最先进的超级计算机更强大的计算机。 量子计算机利用了亚原子粒子的怪异特性。 所谓的量子波粒能够同时存在于两个地方，而且即使分隔数百万英里仍然匪夷所思地能够保持关联性。 英国苏塞克斯大学（Sussex University）的研究团队实现了在电脑芯片之间以前所未有的速度和精度传送量子信息。 一个研究当中的障碍就是需要在芯片之间迅速和可靠地传送量子信息：信息受损就会产生误差。 不过汉辛格教授的团队已经取得了突破，他们发表在《自然通讯》期刊上的研究表明，他们可能已经克服了上述障碍。 这个团队研发了从一个芯片向另外一个芯片以创纪录的速度传送信息的系统，传送可靠率达到了99.999993%。研究人员说，这显示了在原则上许多芯片能够插在一起形成算力更强大的量子计算机。 （节选）

科学家利用光基处理器实现量子计算的巨大飞跃

科学家利用光基处理器实现量子计算的巨大飞跃 这些新兴领域中在原子水平上运行的技术已经为药物发现和其他小规模应用带来了巨大的好处。未来，大规模量子计算机有望解决当今计算机无法解决的复杂问题。首席研究员、澳大利亚皇家墨尔本理工大学的阿尔贝托-佩鲁佐（Alberto Peruzzo）教授说，该团队的处理器是一种光子学设备，利用光粒子携带信息，通过最大限度地减少"光损失"，有助于成功实现量子计算。提高量子效率佩鲁佐是皇家墨尔本理工大学量子计算与通信技术卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology，CQC2T）节点的负责人，他介绍说："如果失去光线，就必须重新开始计算，其他潜在的进步包括提高了"不可破解"通信系统的数据传输能力，以及加强了环境监测和医疗保健领域的传感应用。"研究小组的可重新编程光基处理器。资料来源：皇家墨尔本理工大学 Will Wright研发成果研究小组在一系列实验中对光子处理器进行了重新编程，通过施加不同的电压实现了相当于 2500 个设备的性能。他们的研究结果和分析发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。这项创新可以为量子光子处理器带来更紧凑、更可扩展的平台。论文第一作者、皇家墨尔本理工大学博士生杨洋说，这种设备"完全可控"，能在降低功耗的情况下快速重新编程，而且无需制作许多定制设备："我们通过实验在单个设备上展示了不同的物理动态。这就像有了一个开关，可以控制粒子的行为方式，这对理解量子世界和创造新的量子技术都很有用"。合作创新意大利特伦托大学的 Mirko Lobino 教授利用一种名为铌酸锂的晶体制造了这种创新的光子装置，而美国印第安纳大学普渡大学印第安纳波利斯分校的 Yogesh Joglekar 教授则带来了他在凝聚态物理学方面的专业知识。铌酸锂具有独特的光学和电光特性，是光学和光子学各种应用的理想材料。Lobino说："我所在的小组参与了该设备的制造工作，这尤其具有挑战性，因为我们必须在波导顶部微型化大量电极，以实现这种程度的可重构性。"Joglekar说："可编程光子处理器为探索这些设备中的一系列现象提供了一条新的途径，而这些现象将有可能开启技术和科学领域令人难以置信的进步。"推进量子控制与此同时，佩鲁佐的团队还开发出了一种世界首创的混合系统，它将机器学习与建模相结合，对光子处理器进行编程，帮助控制量子设备。量子计算机的控制对于确保数据处理的准确性和效率至关重要。该设备输出精度面临的最大挑战之一是噪声，它描述了量子环境中影响量子比特性能的干扰。微微子是量子计算的基本单位。佩鲁佐说："有一系列行业正在开发全面的量子计算，但它们仍在与噪声造成的误差和低效作斗争。控制量子比特的尝试通常依赖于对什么是噪声以及造成噪声的原因的假设。我们开发了一种协议，利用机器学习来研究噪声，同时利用建模来预测系统对噪声的反应，而不是做出假设。利用量子光子处理器，这种混合方法可以帮助量子计算机更精确、更高效地运行，从而影响我们未来控制量子设备的方式。我们相信，我们的新混合方法有可能成为量子计算领域的主流控制方法。"主要作者、来自皇家墨尔本理工大学的 Akram Youssry 博士说，与传统的建模和控制方法相比，新开发的方法的结果显示出显著的改进，可以应用于光子处理器以外的其他量子设备。他说："这种方法帮助我们发现并理解了我们设备的一些方面，这些方面超出了这种技术的已知物理模型。这将帮助我们在未来设计出更好的设备。"这项工作发表在《Npj Quantum Information》上。未来展望与量子计算的潜力围绕其团队的光子设备设计和量子控制方法，可以创建量子计算方面的初创公司，他们将继续研究其应用及其"全部潜力"。量子光子学是最有前途的量子产业之一，因为光子学产业和制造基础设施已经非常完善。与其他方法相比，量子机器学习算法在某些任务中具有潜在优势，尤其是在处理大型数据集时。"想象一下，在这个世界上，计算机的工作速度比现在快几百万倍，我们可以安全地发送信息而不必担心信息被截获，我们可以在几秒钟内解决目前需要几年才能解决的问题。这不仅仅是幻想这是由量子技术驱动的潜在未来，而像我们这样的研究正在铺平道路。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：