IBM量子计算如何推动医疗健康与生物学研究取得突破

量子计算正处于发展的关键转折点。近年来，量子计算机已展示出在超越经典仿真规模下运行量子程序的能力，逐步成为解决现实问题的实用工具，可验证的量子优势已近在眼前。由社区主导、面向高质量研究的资助与奖励计划，为我们提供了一个早期视角，让我们得以窥见量子计算将如何影响医疗健康与生命科学等领域。

正是出于这一目的，非营利机构Wellcome Leap设立了"量子赋能生物"（Q4Bio）支持性挑战计划。Q4Bio旨在识别、开发和验证面向人类健康应用的量子算法，这些算法有望在未来三至五年内投入使用的近期量子计算机上运行。该计划于2023年启动，来自全球的十二支研究团队共获得4000万美元的资金支持。截至2026年3月，入围第三阶段决赛的团队缩减至六支，最终获奖者已正式揭晓。

恭喜Algorithmiq公司，其与克利夫兰诊所及IBM的合作研究荣获Q4Bio 200万美元大奖！

Wellcome Leap专注于资助高风险、高回报的全球健康研究，目标是在5至10年内而非数十年的时间跨度内促成医学突破。这一雄心在Q4Bio挑战赛的要求中得到充分体现：为符合第三阶段200万美元奖项的参赛资格，各参赛团队须展示使用超过50个量子比特、电路深度达1000至10000个量子门的算法，同时提供清晰的扩展路径。

实际操作中，满足上述要求意味着必须直接使用当今最先进的量子硬件。正因如此，六支第三阶段决赛团队中有五支选用了IBM量子计算机，这充分印证了拥有100个以上量子比特的"实用规模"量子计算机在应对量子信息科学与现实应用场景交叉领域复杂问题方面的重要地位。

以下将重点介绍Q4Bio第三阶段决赛团队在IBM量子硬件上开展的研究工作，这些项目为量子计算如何开始支撑医疗健康与生命科学领域的实质性研究提供了令人振奋的前瞻。

这些多学科、多机构团队的研究成果涵盖药物发现、基因组学、生物标志物及基础生物化学等领域。在每个方向上，研究人员都找到了能够在当今量子计算机上大规模执行的医疗健康问题，并具备在未来进一步扩展的真实潜力。

Algorithmiq、克利夫兰诊所与IBM

获奖项目由量子初创公司Algorithmiq牵头，联合克利夫兰诊所和IBM共同完成，利用量子计算模拟光动力疗法（PDT）中的关键过程。PDT是一种基于光激活药物的癌症治疗方法。

Algorithmiq开发了一套端到端的混合量子-经典框架，其中创新性的活性空间选择、态制备、测量及后处理方法，使大规模分子电子结构模拟得以在IBM量子硬件上实现。通过在多达100个量子比特上执行基态与激发态实验电路，Algorithmiq展示了一条面向药物发现与开发领域量子优势的可扩展路径。

Algorithmiq首席执行官兼联合创始人Sabrina Maniscalco表示，这一成果凸显了该公司紧密集成量子-经典算法方法在释放现实世界量子优势方面的关键潜力。

"这项工作提供了迄今为止最有力的证据之一，证明量子计算可以开始影响真实的、具有化学意义的问题，而非简化的基准测试，"她说，"IBM的量子系统支持了近百量子比特规模的电路执行，并为识别真实瓶颈、确保方法稳健性所需的持续端到端验证循环提供了保障。"

克利夫兰诊所生物医学工程副研究员Vijay Krishna博士补充道："Q4Bio表明，当具备互补专长的团队朝着共同目标努力时，他们能够在任何单一学科都无法单独解决的问题上取得实质性进展。"

量子泛基因组项目

与此同时，牛津大学与桑格研究所的量子泛基因组项目专注于将基因组问题转化为二次无约束二进制优化（QUBO）模型。近期研究已揭示基于QUBO的量子优化方法在助力解决具有挑战性的现实问题、实现近期量子优势方面的潜力。

在工作过程中，该团队使用IBM Quantum Heron r2对丁型肝炎病毒基因组进行了编码。在其工作流程中，经典系统负责问题建模、迭代与分析，量子硬件则被调用于计算挑战性最高的子问题。

"将整个基因组编码到量子计算机上，这在世界上尚属首次，相较此前任何将DNA表示在量子机器上的尝试，至少提升了一个数量级，"Wellcome桑格研究所首席信息官James McCafferty表示，"IBM在帮助我们实现这一目标方面功不可没。"

"这并非玩具式的演示，而是涉及具有生物学意义的序列，通过我们专为基因组数据开发的数据分区技术和定制化深度缩减方法，在量子硬件上实现表示，"牛津大学计算机科学副教授Sergii Strelchuk说，"编码信息能够通过我们的索引验证方法被成功检索，这发出了一个清晰的信号：面向基因组学的量子数据编码不再只是愿景，已经准备好走向规模化应用。"

Infleqtion

总部位于芝加哥的量子初创公司Infleqtion，联合芝加哥大学和麻省理工学院，在混合量子-经典优化算法的支持下，开展了从多模态癌症数据中进行量子增强生物标志物发现的项目研究，并在其中使用了IBM Quantum Heron r2。他们的工作涉及GPU与量子处理器（QPU）的协同运行，这是混合工作流领域一个令人期待的新兴方向。

芝加哥大学教授、Infleqtion量子软件首席科学家Fred Chong表示，Heron量子处理器是当时唯一能够满足Wellcome Leap标准的可用硬件，即展示超过50个量子比特、程序长度超过1000个量子门的量子算法。正是这一硬件的支持，使其团队得以有力地证明混合量子-经典方法相较纯经典方法在识别生物标志物方面的优越性。

"我们的工作已经识别出了新型癌症生物标志物，可供临床评估。未来的量子机器将使我们能够发现更多具有前景的生物标志物，我们希望这将有助于改善治疗效果，"Chong表示。

斯坦福大学、密歇根州立大学及其他合作机构

一支由多所科研机构研究人员组成的团队，利用变分量子本征求解器（VQE）算法和IBM Quantum Heron r2处理器，研究了蛋白质中ATP与GTP的水解过程，这是驱动大多数细胞活动的基础生化反应。

通过展示模拟偏磷酸水解的量子算法，并严格分析其资源开销，该团队证明了近期量子计算机如何在生物学计算工作流中发挥加速器的作用。他们还探索了容错量子计算机的潜在工作流程。

"尽管经典生化计算方法已有数十年的发展积累，量子方法正真正开始展现出竞争力，"团队研究人员、密歇根州立大学教授Ryan LaRose表示，"在我们的项目中，IBM硬件提供了所需的量子比特数量、量子门保真度和采样速率，使我们的实验得以顺利推进。"

诺丁汉大学、Phasecraft与QuEra

另一支决赛团队由诺丁汉大学Jonathan D. Hirst领衔，联合Phasecraft和QuEra，探索了共价抑制剂设计中的量子增强策略。共价抑制剂因其能与靶蛋白形成稳固、持久的化学键，已成为现代治疗学的基石，尤其在肿瘤学和抗病毒治疗中应用广泛。

该团队应用量子算法生成高保真分子数据，并将其用于增强经典密度泛函理论（DFT）计算——一种通过建模电子密度来估算分子行为的计算机仿真方法。这使共价结合过程的模拟更加精准。

研究人员将这一混合量子-经典工作流应用于针对强直性肌营养不良1型（DM1）的药物发现项目，突显了量子增强方法在应对目前尚无有效治疗手段的复杂疾病方面的潜力。

在研究过程中，团队还使用了IBM量子硬件，包括拥有120个量子比特的IBM Quantum Nighthawk处理器，作为评估近期量子系统化学相关建模能力的重要组成部分。

从整体来看，这些成果清晰展示了量子计算作为生物学研究工具的成熟速度之快。Phasecraft联合创始人、布里斯托大学量子计算教授Ashley Montanaro表示，IBM量子硬件与软件的快速进步，在支持团队工作所需的快速实验迭代方面发挥了关键作用。

"三年前Wellcome Leap Q4Bio挑战赛启动时，这一切能否成功远非显而易见。如今我们在真实药物发现靶点上取得了令人鼓舞的成果，这是一个重要里程碑，"他说，"在这个项目中，量子硬件和软件的进步速度令人瞩目，我们每个月都在持续引入新能力、探索前沿进展。"

Q4Bio第三阶段决赛团队的卓越成果，体现了IBM以量子为核心的超级计算（QCSC）愿景的进展。混合量子-经典工作流将高性能计算（HPC）、GPU与量子处理器有机整合，实用规模量子处理器与云平台的开放获取，使全球团队得以协作、快速迭代，并朝着可扩展的端到端生物学工作流迈进。

这些成果共同指向一个更广泛的转变：量子计算在生物学乃至其他领域正从推测性实验阶段，迈入可量化、以应用为驱动的进展阶段，并日益具备成为生命科学计算生态重要组成部分的潜力。

"看到如此多的研究团队实施QCSC工作流——让经典资源与量子资源协同工作，实现任何一方单独都无法完成的目标——这令人倍感鼓舞，"IBM研究院院长Jay Gambetta表示。

Q&A

Q1：Q4Bio挑战赛的目标是什么？有哪些参赛要求？

A：Q4Bio是由Wellcome Leap设立的量子赋能生物挑战计划，目标是开发和验证可在未来3至5年内运行的量子健康算法。参赛团队须展示超过50个量子比特、电路深度达1000至10000个量子门的算法，并提供清晰的扩展路径。最终奖金为200万美元，共有来自全球的12支团队参与，获得4000万美元资助。

Q2：Algorithmiq是如何利用量子计算推进癌症治疗研究的？

A：Algorithmiq联合克利夫兰诊所和IBM，利用量子计算模拟光动力疗法（PDT）中的关键过程。他们开发了混合量子-经典框架，通过创新的活性空间选择、态制备和测量方法，在最多100个量子比特上运行电路，实现了大规模分子电子结构模拟，为药物发现领域的量子优势提供了可扩展路径，并最终赢得200万美元Q4Bio大奖。

Q3：IBM量子硬件在Q4Bio研究中具体发挥了哪些作用？

A：六支第三阶段决赛团队中有五支使用了IBM量子硬件。IBM Quantum Heron r2被用于基因组编码、生物标志物发现和蛋白质水解研究；IBM Quantum Nighthawk（120量子比特）则用于共价抑制剂设计。IBM硬件提供了所需的量子比特数量、量子门保真度和采样速率，支持了各团队实现Wellcome Leap规定的技术标准，并实现持续快速的实验迭代。