制藥業(yè)是一個與人類健康和生命息息相關的行業(yè)，它也是一個不斷創(chuàng)新和進步的行業(yè)。在過去的幾十年里，制藥業(yè)經(jīng)歷了從化學合成藥、生物制品藥、基因工程藥、納米藥物等不同階段的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多具有重大意義和影響的新型藥物，為治療各種疾病和改善人類福祉做出了巨大貢獻。同時，制藥業(yè)也面臨著從市場競爭、法規(guī)政策、社會需求等多方面的挑戰(zhàn)和壓力，需要不斷適應變化和尋求突破。其中，藥物研發(fā)是一個復雜而漫長的過程，它涉及到對分子結構、化學反應、生物活性等多方面的模擬和優(yōu)化。傳統(tǒng)的計算機在處理這些問題時，往往受到計算能力、時間和成本的限制，難以達到理想的效果。而量子計算機則可以利用其強大的并行性和精確性，對分子系統(tǒng)進行高效的模擬和搜索，從而加速藥物設計的進程，降低藥物開發(fā)的風險，提高藥物質(zhì)量和安全性。

　　量子計算作為一種新興的技術領域，為制藥業(yè)帶來了新的機遇和希望，也提出了新的要求和問題。量子計算可以為制藥業(yè)提供新的思路和方法，幫助制藥企業(yè)提升研發(fā)能力，加速創(chuàng)新速度，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，拓展市場空間。但是，量子計算也需要制藥企業(yè)投入更多的資源和精力，掌握更多的知識和技能，建立更好的合作和溝通，解決更多的難題和風險。

　　本期二十五周年專欄中，我們關注量子計算在藥物研發(fā)中的原理、應用和前沿進展的認識和看法，以及對量子計算對制藥業(yè)未來發(fā)展的影響和啟示的思考和建議，希望提供一個全面而深入的視角，更好地了解量子計算這一革命性的新技術在藥物研發(fā)領域中的作用和價值，以及它對制藥業(yè)未來發(fā)展的挑戰(zhàn)和機遇。

　　量子計算在藥物研發(fā)中的原理

　　藥物研發(fā)是一個涉及到多學科交叉的領域，它需要對分子結構、化學反應、生物活性等多方面進行深入的研究和分析。其中，一個關鍵的步驟就是藥物設計，即根據(jù)目標受體或酶的結構和功能，設計出能夠與之結合并產(chǎn)生預期效果的候選藥物分子。這個過程通常包括幾個階段。

　　首先是分子對接，通過計算機模擬分析候選藥物分子與目標受體或酶之間的空間構型、相互作用能量、結合模式等參數(shù)，篩選出最優(yōu)化的配體。然后是分子動力學，通過計算機模擬分析候選藥物分子與目標受體或酶在不同溫度、壓力、溶劑等條件下的運動軌跡、穩(wěn)定性、可行性等參數(shù)，評估其動態(tài)行為。接下來則是藥效預測，通過計算機模擬分析候選藥物分子在體內(nèi)外環(huán)境中的代謝途徑、生物利用度、毒性副作用等參數(shù)，預測其藥理活性。

　　每個階段都需要對大量復雜的分子系統(tǒng)進行精確而高效的模擬和搜索，這對傳統(tǒng)的計算機來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的計算機使用二進制比特作為信息單元，每個比特只能表示0 或1 兩種狀態(tài)。因此，要表示一個n 位長的分子結構，就需要n 個比特。而要表示一個含有n 個原子的分子系統(tǒng)，則需要2n 個比特。這意味著隨著分子系統(tǒng)規(guī)模的增加，所需的比特數(shù)將呈指數(shù)級增長，超出了傳統(tǒng)計算機的存儲和處理能力。

　　而量子計算機則使用量子比特作為信息單元，每個量子比特可以同時表示0 和1 兩種狀態(tài)，這就是量子疊加的特性。因此，一個量子比特可以表示兩個分子結構，n 個量子比特可以表示2n 個分子結構。這意味著量子計算機可以利用其并行性，同時處理多個分子系統(tǒng)，大大提高了計算效率。此外，量子計算機還可以利用量子糾纏的特性，實現(xiàn)對分子系統(tǒng)的精確控制和測量，從而提高了計算精度。

　　量子計算在藥物設計中，可以利用量子搜索算法（如Grover 算法），在指數(shù)級的候選藥物分子中快速找出最優(yōu)化的配體；也可以利用量子模擬算法（如變分量子本征求解器VQE），在多項式級的時間內(nèi)模擬分子系統(tǒng)的本征態(tài)和本征能。此外在藥效預測方面，利用量子機器學習算法（如量子神經(jīng)網(wǎng)絡QNN），可以在多項式級的時間內(nèi)學習和預測分子系統(tǒng)的藥理活性。

　　在藥物研發(fā)中的應用

　　量子計算在藥物研發(fā)中的應用已經(jīng)引起了全球各大制藥公司、科研機構和技術企業(yè)的廣泛關注和投入。例如，2021 年，谷歌（Google）與全球領先的研發(fā)驅(qū)動制藥公司勃林格殷格翰（Boehringer Ingelheim）達成合作協(xié)議，專注于研究和實施量子計算在藥物研發(fā)領域中的前沿用例，其中包括分子動力學模擬。新的合作關系將其在計算機輔助藥物設計、計算機建模領域的專業(yè)知識，與作為量子計算機和算法的領先開發(fā)商之一的谷歌所擁有的優(yōu)質(zhì)資源結合在了一起。

　　而此前，2018 年，微軟（Microsoft）與凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）合作，為了改善病人的護理，凱斯西儲使用微軟的量子啟發(fā)的算法，以加強其檢測癌癥腫瘤的方法。

　　埃森哲（Accenture）和默克（Merck）在2018 年與亞馬遜網(wǎng)絡服務（AWS）合作，推出了一個基于云的信息學研究平臺，幫助生命科學行業(yè)的組織在藥物開發(fā)的早期階段提高生產(chǎn)力、效率和創(chuàng)新。通過為核心研究功能創(chuàng)建開放的、行業(yè)標準的應用程序編程界面，使研究人員能夠迅速采用新的功能，從而建立一個加速創(chuàng)新的生態(tài)系統(tǒng)?？茖W應用提供商、內(nèi)容提供商和技術創(chuàng)新者將受益于較低的進入壁壘，新的能力更容易進入市場，幫助生命科學公司重新設想過程、用戶體驗和數(shù)據(jù)密集型研究方法。

　　前沿突破

　　今年初，谷歌宣布，在糾正當今量子計算機固有的錯誤方面取得了突破，其的研究結果已發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。研究人員表示，他們已經(jīng)找到了一種方法，可以將量子計算機處理的信息通過多個量子比特傳播，這意味著整個系統(tǒng)可以保留足夠的信息來完成計算，即使單個量子比特脫離了它們的量子態(tài)。這是一個重要的里程碑，為實現(xiàn)大規(guī)模和高質(zhì)量的量子計算奠定了基礎。

　　另一方面，通過互聯(lián)網(wǎng)提供遠程訪問和使用量子計算機資源的服務，可以讓更多的用戶和開發(fā)者享受到量子計算的便利和優(yōu)勢。目前，谷歌、微軟、IBM、亞馬遜等技術巨頭都已經(jīng)推出了自己的量子云服務平臺，并與各大制藥公司、科研機構和技術企業(yè)建立了合作關系，共同探索量子計算在藥物研發(fā)領域中的應用場景和解決方案。

　　量子計算對制藥業(yè)未來發(fā)展的影響和啟示

　　量子計算作為一種革命性的新型計算模式，對制藥業(yè)未來發(fā)展將產(chǎn)生深遠而廣泛的影響和啟示。在創(chuàng)新藥物研發(fā)方面，量子計算可以大大提高藥物設計的效率和精度，從而加速創(chuàng)新藥物研發(fā)的進程，降低藥物開發(fā)的風險和成本，提高藥物質(zhì)量和安全性。這將為人類健康帶來新的希望和福祉，尤其是對于一些難治性疾病、罕見病、新型病毒等領域。

　　而對于制藥業(yè)轉(zhuǎn)型升級來說，量子計算可以為制藥業(yè)提供新的技術驅(qū)動力和競爭優(yōu)勢，促進制藥業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)從傳統(tǒng)制造型向智能創(chuàng)新型的跨越。這將要求制藥企業(yè)加強對量子計算技術的關注和投入，培養(yǎng)和引進量子計算人才，建立和完善量子計算基礎設施和生態(tài)系統(tǒng)，與量子計算技術提供商建立緊密的合作關系。

　　此外，對于無法忽視的制藥業(yè)監(jiān)管和倫理，量子計算也會給制藥業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)和風險，例如數(shù)據(jù)安全、知識產(chǎn)權、社會責任等方面。這將要求制藥業(yè)加強對量子計算的監(jiān)管和倫理，制定和遵守相關的法律法規(guī)、標準規(guī)范、道德準則等，保護和尊重個人隱私、公共利益、人類尊嚴等。

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