HHRI/量子模擬應用於電池及藥物開發 啟動創新契機

【鴻海研究院】
122 人閱讀

電腦發明至今 70 多年,才從足球場一般大的體積發展成為人手必備的手機;人工智慧從提出到 ChatGPT 的出現,也將近 70年,破壞式創新從來都不會是優化某個小零件就能發生的,需要長時間、不斷投入、探索才可能達成。量子電腦也是。

圖片來源:AdobeStock

鴻海研究院量子計算研究所所長謝明修表示,2022 年諾貝爾物理學獎頒給鑽研量子糾纏的學者,台灣政府也投資了史上最多的金額,並成立量子國家隊投入前瞻技術研究,在在顯示,量子運算無庸置疑是未來最重要的科技創新。

IBM、Google、 Intel、 Microsoft 百 度等科技巨頭,以及 PsiQuantium、Xanadu、IonQ、Rigetti Computing、Honey well Quantum Solutions 等新創公司都積極投入量子科技的相關研究。鴻海正是因為看見此前瞻技術的發展性而積極投入,期許能夠強佔量子技術得先機。

謝明修分析,目前量子研究有四大區塊,分別是量子計算、通訊、模擬跟感測,目前較成熟的在模擬及感測,而鴻海研究院在四大塊都有佈局;因為在科技發展早期,佈局要愈廣愈好。同時,也要把時間維度拉長,「這必須是以十年為單位的思考模式」不僅在技術,更重要的是必須培養出未來的量子人才。而 2022 年,量子所將重點放在量子模擬。

量子模擬開發兩大關鍵

為什麼需要量子模擬? 謝明修引用1965 年諾貝爾物理獎得主、知名物理學家費曼的話,「大自然不是古典的,如果你想要進行模擬,最好是使用量子力學,而這不是一個簡單的問題。」

例如電池內部的化學反應,因為牽涉到複雜的電子交互作用,至今無法精準模擬。兩相比較,量子模擬只透過 n 個量子位元,可以描述 2n 可能的量子狀態,而古典模擬則需要 2n 個位元數。簡言之,無論在效能、資源各方面,都將跳脫目前的侷限,開創超乎想像的新局。

那麼,量子模擬究竟是什麼?鴻海研究院量子計算研究所所長謝明修說明,如果想要了解某個物理系統的「能階分佈」,透過輸入「組態資訊」,也就是物理系統的一些環境參數,以及想要觀測的物理量訊息,輸入到一台能夠控制的量子電腦後,進行計算而得到結果,這就是量子模擬精髓。

按照這樣的邏輯,量子模擬設計開發有兩大關鍵。首先是如何優化輸入的組態,這需要具備欲處理問題的領域知識;第二個關鍵,則在於必須開發高效的量子模擬系統。舉凡需要高效能的物理或化學反應,都可以利用量子模擬進行描述。

應用於鋰硫電池開發 超越 IBM 成果

量子模擬應用的範圍很廣,謝明修舉例,包括電池開發、藥物開發⋯⋯甚至碳排放預估,用來定量描述進行中化合物結構與能量關係,以及穩定分子的結構預測。例如藥物開發,因不同化合物的結構會產生不同物理或化學性質,進而影響藥理性質,透過量子電腦模擬,可以預測不同藥物的穩定性,能夠提高用藥安全。

2022 年鴻海研究院量子所的主要研究成果,就包括電池開發與藥物開發這兩項。謝明修表示,前者是以量子模擬來輔助了解電池化學反應,後者則是希望能夠深入了解藥理作用機制。

下世代最受矚目的鋰硫電池因為原料便宜、開採容易,且製作過程中的排放量較少,對環境友善,因此備受業者重視。

例如全球汽車大廠 Mercedes-Benz 就與 IBM Quantum 合作,透過 IBM 量子模擬器,用 21 Qubits 了解穩定結構狀態下的結構、鋰原子及硫原子的鍵長,找出能量與距離的分佈圖。謝明修說,量子所同樣在 IBM 模擬器上只用 8 Qubits 就達到同樣的效果;福特汽車也針對三元鋰電池開發量子模擬方案,討論兩個鈷原子之間的能量與距離相對方案,使用了 20 Qubits 跟數萬個邏輯閘,量子所則只需要 8 Qubits、數百個邏輯閘,電路深度節省高達 90%。

與國際新創合作 模擬藥物異構物開發

量子模擬同樣可以運用在藥理作用機制上,相同的分子式、不同的結構會影響藥效穩定性,因此了解異構物是藥物開發中非常重要的議題。謝明修說,他們與國際新創英科智能(Insilicon Medicine)在台灣的研發團隊合作,選擇 FDA 批准、用於治療肌萎縮的 Edaravone,開發出量子模擬三種異構物的方案。這個開發方案同樣只需要 8 Qubits,超越其他團隊需要數百個 Qubits 的成績。

量子模擬的下一步,將會大量運用在材料方面。謝明修指出,包括能夠模擬更大的物理系統,並在減少量子計算資源的同時,還能提高量子模擬精準度,都是需要繼續努力的方向。

「軟體應用是量子所,離子阱實驗室則主攻硬體」謝明修進一步勾勒出鴻海研究院的量子研究布局與努力方向,「學術單位可以很數學,但鴻海研究院必須想像落地的場域。」因此,應用端的重要性不下於純理論研究,必須學習很多不同領域的知識(domain knowledge)。同時也要和院內其他研究所合作,例如量子通訊跟通訊所合作;由於使用光纖,又跟通訊所、半導體所及資安所有關。集結不同領域專業,攜手找尋科技界最矚目的下一個「聖杯」。

全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

留言評論
【鴻海研究院】

延伸閱讀