加速科学发现：比特、神经元、量子比特与协作

• 人工智能（AI）、高性能计算机（HPC）和量子计算正在为科学研究注入强劲动力。

• 这些尖端技术能够加速材料发现，并应对疫情、气候变化和网络安全等挑战。

• 通过公私合作伙伴关系，政府、产业界和学术界可以携手拥抱计算的未来，开启加速发现的时代。

先向下画一条短线，缓慢而稳定，再画五条线，组成一个完美的六边形。

15岁那年，我在马德里，非常喜欢科学课。有一位特别鼓舞人心的化学老师，要求我们背下整张元素周期表。我最喜欢去实验室，做实验，看着冒泡的液体在我加热烧瓶时变色——热气腾腾的物质在我眼前发生相变——还会画有趣的分子线图。

几十年后的2015年，我在一张分子图像中再次看到了同样完美的六边形。这张图像是用IBM于20世纪80年代初设计、后来荣获诺贝尔奖的扫描隧道显微镜拍摄的。十几岁时，我以为线图是柏拉图式的理想形式，是呈现微观世界的简便方式。而此刻，我正凝视着一个真实存在的并五苯分子——由五个六边形连成一排。我仿佛回到了少年时代，那时我曾窥见未来的一角。突然间，未来就在眼前。

如今，该项目的首席科学家、IBM研究院化学家利奥·格罗斯以及世界各地的其他研究人员，已能定期对分子成像。他们甚至可以拍下分子改变电荷状态的过程，以及化学反应发生前后的分子图像。

取得巨大进展的不只是化学成像，整个科学方法都在加速发展。这部分得益于人工智能（AI）和量子计算机等尖端工具——这些未来感十足的机器看起来像蒸汽朋克风格的金色枝形吊灯；也得益于科学研究方式的转变。世界终于开始认识到公私合作对科学发现的重要性。新冠疫情也推动了多个成功的全球合作伙伴关系。

我们应当保持这一势头。经典高性能计算（HPC）、人工智能和量子计算各自都很强大，但它们的潜力结合起来更为巨大。要真正拥抱计算的未来，政策制定者、产业界和学术界必须建立一套基础设施，让这些技术协同工作、相互促进和补充。

这套基础设施的关键节点应当是战略性的国家和国际伙伴关系，由产业界、学术界和政府携手加快进展，更好地为全球威胁做好准备并加以应对，从而改善世界。我们需要更多科学家在政府和产业界担任领导职务。我们还需要确保政策制定者与研究人员之间保持顺畅联系，无论是在平时还是全球紧急状况期间。

我们应当建立的一项全球合作是我建议称之为“科学准备储备”（SRR）的机制。这一组织将帮助迅速动员精通各类全球灾害的研究人员，并将世界各地的科学家与拥有超级计算机或量子计算机等尖端技术的机构联系起来。

其影响将遍及社会和经济的每个领域。我们已经具备实现这一目标的所有要素：比特、神经元和量子比特。秘诀是什么？让它们协同工作。

IBM Q System One，全球首个完全集成的通用量子计算系统Image: IBM

比特、神经元和量子比特的潜力

以并五苯为例，那种我曾经喜欢画的简单分子，由五个完美的六边形首尾相连。它拥有22个电子和22个轨道，是我们能够用传统经典计算机模拟的最复杂分子之一。

然而，分子构型有数十亿亿种——新分子的可能组合数比宇宙中的原子还多。

如果能有效筛查这一广阔的化学空间，我们就可以迅速找到特定分子，并创造出具有所需特性的新材料。这将为材料设计开启无穷可能——开发救命药物、更好的电池、更先进的假肢，或更快、更安全的汽车，推动医疗保健、制造业、国防、生物技术、通信以及几乎所有其他行业的发展。这种设计能力将取代我们数百年来在材料发现中依赖的偶然机遇；塑料、特氟龙、魔术贴、凡士林、硫化橡胶以及许多其他突破，都曾是如此。甚至石墨烯——一种只有一个原子厚、已知最薄且最坚固的材料——也是物理学家科斯佳·诺沃肖洛夫在实验室废纸篓里发现一段废弃的透明胶带后，凭借（有根据的）偶然发现的。

材料设计长期以来都是一个缓慢且反复迭代的过程。研究人员通常在实验、理论和模拟之间来回奔波——在计算机上不断完善计算，以近似未知分子的行为；再到实验室测试分子是否如预测般发挥作用，如此循环，仿佛永无止境。高性能计算（HPC）确实能够模拟简单的物理和化学过程。HPC的进步确实帮助我们找出可能有用、可供实验室测试的分子。人工智能也确实越来越有助于筛选新型高性能材料，创建模型来评估物质行为与其化学结构之间的关系，预测未知物质的特性，并梳理以往发表的论文。

尽管如此，开发新材料仍需数年时间。我们需要将量子计算融入其中，让比特、神经元和量子比特并肩协作。

从能熟练操作平板电脑的幼儿，到清理核电站事故现场的自主机器人，我们每天都在接触比特。比特为智能手机、本地医院的脑部扫描仪以及由远程操控、在火星上工作的NASA探测车提供动力。另一方面，人工神经元是数学函数，能够帮助人工智能的深度神经网络学习复杂模式，并在一定程度上模仿天然神经元——也就是我们大脑中的神经细胞。

还有量子比特，它是信息的基本单位，是比特古怪而年轻得多的量子表亲。量子比特的行为就像原子，具有奇特的叠加态（同时处于多个状态）和纠缠（一个量子比特改变状态时，与之纠缠的另一个量子比特也同时改变状态，即使两者相距数光年）的特性。经典计算机必须一次筛查一个比特（0或1）的各种可能取值组合，而量子计算机可以让数量呈指数级增长的状态同时相互作用。

分子是由化学键连接在一起的原子群，而量子比特是模拟分子行为的理想方式。对于材料设计，量子计算将增加一个不可或缺的维度：对复杂得多的分子系统进行精确模拟。

除了材料发现，量子计算机还将在任何需要根据众多可能性预测最佳结果的领域大有裨益，例如计算金融投资组合的投资风险，或为客机规划最节省燃料的航线。这项技术刚刚进入商业化阶段，可通过云端访问和编程。

在IBM，我们相信，量子计算机将在本十年内实现所谓的量子优势——在某些应用场景中超越任何经典计算机。

届时，只要我们不忘记秘诀，世界就将焕然一新。比特、神经元和量子比特各自都很强大，但协同工作将引发一场真正的技术革命，推动一种全新的“加速发现”工作流程成为未来的默认科学方法。

在医疗保健领域，这将影响药物发现，带来更好的个性化医疗、更高效的器官生物打印，以及更快研制出的疫苗。人工智能已经在帮助经典计算机加快医学成像、诊断和数据分析。未来，量子计算机可以协助人工智能算法探索极高维特征空间，发现新的模式，从而影响成像和病理学等领域。HPC、人工智能和量子计算机协同起来，有望帮助我们应对粮食供应减少、污染、二氧化碳捕集、能源储存和气候变化等问题。这种方法还将补充我们自身对尚未发生、但随时可能出现的全球威胁所进行的风险评估。

计算的未来需要全球协作

这就引出了实现计算的未来所需的另一个要素：国家和国际层面的合作。

疫情表明，即使合作方是产业竞争对手，公私合作也能奏效。该联盟成立于2020年3月，新冠肺炎高性能计算联盟汇集了政府、行业领袖和学术实验室，共享计算资源，支持开展新冠肺炎研究的科学家。该合作还促进了关键数据共享和创意交流。

我们需要在全球范围内开展这种合作，合作范围也应超越疫情。量子计算、HPC和人工智能推动的科学方法进步，有助于应对并改善社会的诸多方面，从网络安全、娱乐到制造业。现在也是重新思考如何利用科学和技术机构人才、探索促进合作新方式的时候。这正是拟议中的科学准备储备可能至关重要的原因。

科学对我们未来的繁荣和健康至关重要。过去如此，未来也将如此。如果我们需要一记警钟来认识科学的紧迫性和协作的力量，那么此刻就是时候。