在实现全球首个量子化学模拟后，谷歌正式进入制药行业

Original 光子盒研究院光子盒 2021-12-15

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2020年8月，谷歌宣布其使用Sycamore量子计算机对化学反应路径进行建模取得了突破性进展，这是迄今为止首次，也是最大规模的化学量子计算。论文发表当天便登上了《自然》杂志封面。谷歌成功模拟了H6、H8、H10和H12链的结合能以及二氮烯的异构化。

化学模拟的主要应用是药物研发，当时外界就猜测谷歌可能进入制药行业。而在今天，谷歌量子人工智能实验室正式宣布与制药行业巨头勃林格殷格翰(Boehringer Ingelheim)达成合作协议，专注于研究和实施制药研发中量子计算的前沿用例，特别包括分子动力学模拟。

该合作伙伴关系将勃林格殷格翰在计算机辅助药物设计(CADD)和计算机建模领域的领先专业知识与谷歌作为量子计算机和算法领先开发商之一的卓越资源相结合。勃林格殷格翰是世界上第一家在量子计算领域与谷歌联手的制药公司。合作关系为期三年，由勃林格殷格翰新成立的量子实验室共同领导。

勃林格殷格翰公司董事总经理Michael Schmelmer表示:“非常高兴与谷歌联手，谷歌是量子计算领域的领先科技公司。量子计算有潜力显著加速和增强制药行业的研发进程。量子计算仍然是一项新兴技术。然而，我们相信这项技术可以帮助我们在未来为更多的人和动物提供创新和突破性的药物。”

这一合作是勃林格殷格翰全面数字转型战略的一部分，旨在更好地利用公司的渠道，最终为有需要的患者带来更多的医学突破。

勃林格殷格翰正在大幅增加对一系列数字技术的投资，包括人工智能(AI)、机器学习和数据科学等关键领域，以更好地理解疾病及其驱动因素和生物标志物以及数字疗法。

谷歌量子算法主管Ryan Babbush表示：“分子系统极其精确的建模被广泛认为是量子计算最自然的潜在变革性应用之一。因此，谷歌很高兴与勃林格殷格翰合作，探索化学量子模拟的用例和方法。量子计算有潜力精确模拟和比较比目前可能的大得多的分子，为一系列疾病的药物创新和治疗创造新的机会。”

勃林格殷格翰将在未来几年进行大量投资，以实现量子计算的全部潜力。该公司已经建立了一个专门的量子实验室，并从学术界、工业界和量子提供商那里聘请了量子计算领域的杰出专家。

药物研发的关键是分子模拟，因为分子是物质中能够独立存在的相对稳定并保持该物质物理化学特性的最小单元。

要准确理解分子的结构和运动特性，以及化学反应机制，存在两个障碍：一是所有这些粒子是微观颗粒，一般生物大分子属于纳米颗粒，而有机小分子则更小些，发生化学反应的速度也非常快，用一般的实验技术很难观察到。

但通过计算机图形显示功能，可以将看不见、摸不着的分子系统呈现在计算机屏幕上，从而大大加深人们对分子结构与功能的理解。

分子模拟

二是微观粒子的运动主要遵循量子力学原理，具有测不准关系，即不能同时准确测定粒子的位置和速度，还具有波粒二象性。

因此针对量子力学的深奥难懂，科学家们将宏观领域的经典牛顿力学引入微观体系，创立了易于观解的分子力学。该方法的基本思想是将分子看作是一组靠弹性力维系在一起的原子的集合。分子力学的最初思想是1930年由D. H. Andrews提出。

分子力学中最小粒子为原子，而量子力学中还有比原子更小的粒子，比如电子。这就导致了分子力学不能用来处理化学反应，因为化学反应涉及原子间的电子迁移，因而需要量子力学来处理。

药物研发早已运用了量子力学的思想。美国三位科学家Martin Karplus、Michael Levitt和Arieh Warshe因在“发展多尺度模型研究复杂化学体系上”的贡献获得2013年诺贝尔化学奖。

多尺度模型从电子、原子、分子等不同层面进行分子模拟，这是针对复杂的分子体系而采取的分而治之的策略。

但是这些工作还没有真正应用量子计算。在计算机辅助药物设计(CADD)过程中，提高分子模拟的准确性会导致计算成本呈指数级增长。使用量子计算有助于克服经典计算方法的尺度限制，并为更大和更复杂的分子系统实现薛定谔方程的数值精确解。

关于勃林格殷格翰

勃林格殷格翰致力于为人类和动物制造更好的创新药物，公司使命是创造改变生活的突破性疗法。作为一家世界领先的研究驱动型制药公司，2019年销售净额190亿欧元，研发投入近35亿欧元。