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量子技術(shù)與人工智能的結(jié)合可能帶來(lái)哪些突破性應(yīng)用？

在一項(xiàng)研究中，北京理工大學(xué)陳天副教授及其合作者嘗試了這一創(chuàng)新方向。他們開(kāi)發(fā)了一種新型量子理論方法用于量子光學(xué)模擬，并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其可行性，未來(lái)有望與人工智能結(jié)合。

研究團(tuán)隊(duì)利用大規(guī)模光子網(wǎng)絡(luò)和壓縮真空態(tài)構(gòu)建了量子模擬系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜分子振動(dòng)光譜的高保真度重建（重構(gòu)保真度超過(guò)92%）。

值得注意的是，該研究中集成的量子光子微處理器芯片包含16個(gè)單模壓縮真空態(tài)和一個(gè)完全可編程的干涉儀網(wǎng)絡(luò)，能夠靈活處理多達(dá)16個(gè)量子態(tài)模式，顯著降低了傳統(tǒng)方法對(duì)壓縮相干態(tài)的依賴。

該方法為解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的分子振動(dòng)光譜問(wèn)題提供了新途徑，為量子化學(xué)難題開(kāi)辟了新的解決方案。

在性能方面，該方法在加速計(jì)算和降低算法復(fù)雜度方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，有助于更深入理解分子間相互作用和反應(yīng)機(jī)制，為分子設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了實(shí)用技術(shù)，尤其在藥物設(shè)計(jì)、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。例如，可以用于提高分子性質(zhì)預(yù)測(cè)和優(yōu)化的效率，加速新藥發(fā)現(xiàn)在研發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用，同時(shí)降低研發(fā)成本。

該研究中提到，量子態(tài)模式處理能力高達(dá)16個(gè)模式

分子振動(dòng)光譜是研究分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要工具，在藥物設(shè)計(jì)、材料科學(xué)和化學(xué)反應(yīng)機(jī)制研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但其計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均面臨諸多挑戰(zhàn)。

經(jīng)典計(jì)算方法雖然能得到相關(guān)結(jié)果，但存在資源消耗大、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)、能源效率低等問(wèn)題；而量子模擬作為一種新興技術(shù)，理論上可以提高計(jì)算效率，但現(xiàn)有量子算法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)高精度量子模擬。

隨著AI for Science在各領(lǐng)域的快速發(fā)展，研究團(tuán)隊(duì)提出，或許可以通過(guò)將量子技術(shù)與人工智能相結(jié)合，來(lái)解決分子振動(dòng)光譜的復(fù)雜性問(wèn)題。

陳天解釋道：“量子計(jì)算憑借其糾纏與干涉特性，展現(xiàn)出天然的并行計(jì)算能力。這一優(yōu)勢(shì)不僅能夠顯著提升計(jì)算效率，還能降低算法復(fù)雜度，同時(shí)大幅縮短計(jì)算時(shí)間?！?/p>

在量子技術(shù)領(lǐng)域，壓縮相干態(tài)與壓縮真空態(tài)被視為兩種重要的量子態(tài)。傳統(tǒng)量子算法主要依賴于壓縮相干態(tài)，其局限性在于需要同時(shí)處理壓縮光與相干光的干涉操作，這在實(shí)驗(yàn)實(shí)施中極為復(fù)雜。特別是在芯片平臺(tái)上，壓縮度與光譜純度的限制，使得此類操作幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)這一難題，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種全新的理論算法，通過(guò)引入壓縮真空態(tài)，重新設(shè)計(jì)了分子振動(dòng)光譜求解流程，并成功實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)算法相當(dāng)?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)。

具體而言，他們將分子的振動(dòng)模式擴(kuò)展至 2m 個(gè)光學(xué)模式，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換和壓縮操作來(lái)模擬分子振動(dòng)光譜。

該算法的核心優(yōu)勢(shì)在于，由于僅需對(duì)壓縮真空態(tài)進(jìn)行操作，無(wú)需涉及相干光的干涉，從而降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求，使量子模擬過(guò)程得到顯著簡(jiǎn)化。

量子微處理器芯片，可被類比為“量子處理核心”，它是處理復(fù)雜信息的關(guān)鍵組件。其創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要包含兩部分：

一是制備的壓縮態(tài)光源，該光源可為每個(gè)模式提供獨(dú)立的處理空間；二是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，為解決數(shù)據(jù)處理與重構(gòu)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種高度集成且可編程的量子光芯片，其中包括 16 個(gè)單模壓縮真空態(tài)，可精確調(diào)控光的干涉相位等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子操作。

在研究過(guò)程中，課題組與香港理工大學(xué)的劉愛(ài)群教授進(jìn)行了深入合作，深入了解了芯片的工作原理，并對(duì)其設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

然而，如何將光芯片接收到的數(shù)據(jù)與分子振動(dòng)光譜建立聯(lián)系，以及如何有效提取高維數(shù)據(jù)，一直是面臨的重要挑戰(zhàn)。為此，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法，顯著提升了數(shù)據(jù)處理效率與準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了從海量數(shù)據(jù)中快速提取分子振動(dòng)光譜的關(guān)鍵特征。

研究人員通過(guò)模擬甲酸（CH2O2）和胸腺嘧啶（C5H6N2O2）的振動(dòng)光譜，驗(yàn)證了該算法的有效性。甲酸具有 9 個(gè)振動(dòng)模式，而胸腺嘧啶則擁有 39 個(gè)振動(dòng)模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，甲酸的重建保真度達(dá)到了 92.9%，胸腺嘧啶的重建保真度達(dá)到了 97.4%。

為了驗(yàn)證該方法的普適性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)真實(shí)分子與人工合成分子的大量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，涵蓋數(shù)千至數(shù)萬(wàn)組數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，僅需微調(diào)少量參數(shù)即可獲得理想效果，充分證明了該方法的廣泛適用性。

陳天表示："從實(shí)驗(yàn)實(shí)施的角度來(lái)看，該方法與壓縮相干光的效果基本一致，且算法的復(fù)雜度并未增加。"

該論文經(jīng)歷了三輪修改，三位審稿人從算法、化學(xué)和芯片等領(lǐng)域的專業(yè)角度提出了諸多建設(shè)性意見(jiàn)。在后續(xù)的審稿過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)基于審稿專家的專業(yè)意見(jiàn)，優(yōu)化了計(jì)算效率和存儲(chǔ)精度的計(jì)算結(jié)果，使其更具科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性和專業(yè)性。

陳天表示："盡管審稿過(guò)程充滿挑戰(zhàn)，但每一次審稿都推動(dòng)了研究的進(jìn)一步完善，為量子-AI技術(shù)在分子光譜模擬及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。"

審稿人對(duì)本研究給予高度評(píng)價(jià)："與現(xiàn)有方法不同的是，本研究無(wú)需壓縮相干態(tài)，而是通過(guò)在協(xié)方差矩陣中嵌入位移來(lái)壓縮真空態(tài)。這一思路雖看似簡(jiǎn)單，卻非常創(chuàng)新，它將使實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)變得可行，正如作者在大分子系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)的那樣。"

最終，該論文以《融合壓縮態(tài)的大尺度光子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于分子振動(dòng)譜學(xué)研究》為題發(fā)表在Nature Communications期刊上 [1]。

該研究的第一作者是香港理工大學(xué)的博士后研究員朱慧慧，共同通訊作者包括北京理工大學(xué)陳天副教授、香港城市大學(xué)陳立國(guó)（Lip Ket Chin）助理教授、新加坡南洋理工大學(xué)郭龍泉（Leong Chuan Kwek）教授、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)本特·諾德恩（Bengt Nordén）教授、北京理工大學(xué)張向東教授、香港理工大學(xué)劉愛(ài)群教授。

通過(guò)構(gòu)建"理論-實(shí)驗(yàn)-應(yīng)用"的完整鏈條，為解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提供了"快速求解"方案。

陳天本科畢業(yè)于南開(kāi)大學(xué)物理學(xué)院，后在清華大學(xué)物理系獲得博士學(xué)位，師從王向斌教授。在攻讀博士學(xué)位期間，他奠定了理論量子光學(xué)領(lǐng)域的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，他還曾在斯蒂文森理工學(xué)院進(jìn)行過(guò)訪問(wèn)學(xué)者研究。

在剛剛起步的獨(dú)立研究生涯中，他的主要研究方向是理論量子光行走。經(jīng)過(guò)深入研究和思考，他認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)純理論量子光學(xué)計(jì)算或推導(dǎo)方法的局限性。

量子光學(xué)領(lǐng)域自上世紀(jì)60年代以來(lái)陸續(xù)報(bào)道了諸多有趣現(xiàn)象，但直到近十幾年，這一領(lǐng)域才逐漸得到更廣泛的重視，并發(fā)展出了以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)且應(yīng)用前景相對(duì)有限的特點(diǎn)。

在與張向東教授的多次交流中，陳天的視野逐漸開(kāi)闊，開(kāi)始在算法層面探索量子光學(xué)與人工智能的結(jié)合。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)整，他逐步轉(zhuǎn)向在算法層面探索量子光學(xué)與人工智能結(jié)合的可能性，并致力于將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向與量子技術(shù)深度融合的算法設(shè)計(jì)，目標(biāo)是為現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際問(wèn)題提供高效的解決方案。

陳天表示：“我也堅(jiān)信，這正是許多理論學(xué)科在實(shí)際應(yīng)用中面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。我也相信，通過(guò)與工業(yè)界深度交流與合作，我們不僅能夠在實(shí)驗(yàn)室取得成果，還能夠開(kāi)發(fā)出具有轉(zhuǎn)化價(jià)值的成果，真正服務(wù)社會(huì)?！?/p>

量子光學(xué)作為物理學(xué)的重要分支，人工智能與量子模擬的結(jié)合已在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景。例如，在分子振動(dòng)光譜分析、藥物研發(fā)、以及日常生活中的組合優(yōu)化問(wèn)題（如旅行商問(wèn)題和車輛路徑問(wèn)題）等方面，這種結(jié)合都展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。此外，在能源和環(huán)境問(wèn)題（如高效催化劑篩選、碳捕獲材料優(yōu)化）等領(lǐng)域，這一結(jié)合還為跨學(xué)科研究提供了全新的思路和方法。

近年來(lái)，量子技術(shù)與人工智能的結(jié)合已成為科技界各大巨頭爭(zhēng)相布局的前沿領(lǐng)域。

例如，英偉達(dá)與谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)合作，在CUDA-Q平臺(tái)和英偉達(dá)Eos超級(jí)計(jì)算機(jī)的協(xié)同下，幫助谷歌加速了下一代量子計(jì)算設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。通過(guò)使用1024個(gè)Hopper Tensor Core GPU，他們?cè)谀M包含40個(gè)量子比特的器件時(shí)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、逼真的動(dòng)態(tài)模擬。

此外，谷歌最近更是宣布了一款名為Willow的量子芯片，實(shí)現(xiàn)了僅需5分鐘就可完成傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1025年才能完成的任務(wù)。

微軟的研究團(tuán)隊(duì)則開(kāi)發(fā)出了一種基于AI的生物分子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)AI2BMD，這一系統(tǒng)在保持量子模擬相同精度的前提下，加速了數(shù)百上萬(wàn)倍。過(guò)去需要數(shù)月甚至更久時(shí)間才能完成的模擬任務(wù)，現(xiàn)在僅需2秒多就能一步完成（DeepTech此前報(bào)道：比量子模擬速度提升百萬(wàn)倍：科學(xué)家基于AI開(kāi)發(fā)生物分子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，有望為藥物設(shè)計(jì)和疾病治療等領(lǐng)域提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持）。

在接下來(lái)的研究階段，課題組將繼續(xù)致力于探索量子啟發(fā)式算法及其在量子模擬優(yōu)化中的應(yīng)用，計(jì)劃通過(guò)結(jié)合量子技術(shù)與量子計(jì)算思維對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升量子模擬的精確度。

“我堅(jiān)信，通過(guò)不斷融合量子技術(shù)和人工智能技術(shù)，我們有望開(kāi)發(fā)出更快捷、更高效的新一代量子啟發(fā)式算法，為解決復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題提供更有力的工具。”陳天說(shuō)道。

參考文獻(xiàn)：

1.Zhu, H.H., Sen Chen, H., Chen, T. et al. Large-scale photonic network with squeezed vacuum states for molecular vibronic spectroscopy.Nature Communications15, 6057 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50060-2

運(yùn)營(yíng)和排版：何晨龍、劉雅坤（運(yùn)營(yíng)/排版）