Quantenrechnung verlässt den "Science-Fiction-Film". BosonQ Psi hat in Bereichen wie Krebsbehandlung und Hirn-Maschine-Schnittstellen über hundert praktische Anwendungsfälle demonstriert.

Text | Hu Xiangyun

Redaktion | Hai Ruojing

In dem science-fiction Film "Die Wandering Erde 2" kann der intelligente Quantencomputer "MOSS" mit exponentieller Rechenleistung nicht nur die Rechenressourcen der ganzen Welt koordinieren, um 10.000 "Planetenantriebe" synchron zu betreiben, sondern auch die immensen, fast unendlichen Rechenanforderungen des "Digitalen Lebensprojekts" tragen, was die Öffentlichkeit zu unendlichen Phantasien über Quantencomputer anregt. Diese einst erstaunliche science-fiction - Einstellung hat sich nun langsam von dem Labor in die kommerzielle Umsetzung gewandelt.

Laut dem "Fünfundfünfzig - Jahre - Plan" ist die Quantentechnologie zu einer der sechs zukünftigen Branchen ernannt worden. Der Markt ist ebenfalls sehr heiß: Laut den Daten von IT Juzi waren bis April dieses Jahres mehr als 90 Unternehmen im Bereich der Quantenrechnung in China tätig, und der Gesamtwert der Top - 10 - Unternehmen näherte sich 50 Milliarden Yuan. Darunter werden die marktorientierten Teams mit herausragenden ausländischen akademischen Hintergründen und reicher Branchenerfahrung in diesem Kapitalwettlauf bevorzugt, und ihre Schätzwerte liegen im Vergleich zu anderen Unternehmen relativ höher.

Das 2020 gegründete BosonQ Psi ist eines von ihnen. BosonQ Psi ist nicht an ein Forschungszentrum gebunden, hat aber 11 Runden an Finanzierungen erhalten, mit einem Gesamtbetrag von 1,84 Milliarden Yuan. Die 1 - Milliarden - Yuan - Serie - B - Finanzierung im März dieses Jahres hat direkt einen Rekord für die einzelne Finanzierungsrunde im Bereich der Quantenrechnung in China aufgestellt. In Bezug auf die Teamzusammensetzung hat Dr. Wen Kai, der Gründer und CEO, an der Stanford - Universität studiert und unter dem renommierten Wissenschaftler in der Quantenrechnungsbranche, Kikuo Yamamoto, gelernt. Ma Yin, der COO, hat viele Jahre in der Raumfahrtbranche gearbeitet und an der Konstruktion von mehreren bemannten Raumschiffen und dem Präzisionsinstrumentensystem der chinesischen Raumstation beteiligt.

Die kontinuierliche Kapitalinjektion hat ihre Gründe. Die Quantenrechnungsfähigkeit von BosonQ Psi hat bereits reale Anwendungsfälle in der Branche gefunden. Das Unternehmen hat erklärt, dass es die "Quantenrechnung vollständig in das wissenschaftliche Forschungsparadigma integriert" hat und in mehr als 20 Branchen wie der Lebenswissenschaften, Künstlichen Intelligenz und Kommunikation über 100 Szenarien erforscht und angewendet hat.

Insbesondere im Bereich der Lebenswissenschaften kann die Quantenrechnung wirksam werden, weil der Lebensprozess selbst den Regeln der Quantenmechanik folgt. Proteinfaltung, Enzymkatalyse und die Bindung von Arzneimolekülen an Zielstellen beinhalten alle die Wechselwirkungen einer großen Anzahl von Elektronen. Klassische Computer haben bei der Simulation dieser Prozesse eine sehr hohe Rechenkomplexität und müssen oft zwischen Genauigkeit und Effizienz abwägen. Quantencomputer können hingegen dank der Eigenschaften von Superposition und Verschränkung direkt die Molekülorbitale und die Elektronenstruktur simulieren.

Ma Yin hat einmal erklärt, dass BosonQ Psi im Bereich der Biomedizin mehrere "Kooperationen zwischen Lehre, Forschung und Anwendung" umgesetzt hat. Beispielsweise hat das Unternehmen mit dem Nationalen Labor in Guangzhou zusammengearbeitet, um das selbst entwickelte Quanten - Boltzmann - Modell zur Design und Optimierung von mRNA - Impfstoffsequenzen zu nutzen, und mit der Shanghai Jiao Tong Universität an der Forschung zur Berechnung der Molekülähnlichkeit gearbeitet.

Im mittleren April hat BosonQ Psi eine Anwendungsworkshop "Quantenrechnung + KI für die Wissenschaft" veranstaltet. Das Unternehmen hat bei diesem Workshop mehr Anwendungsbeispiele im Bereich der Lebenswissenschaften und Gesundheitswesen wie Bioinformation, Hirn - Computer - Schnittstelle und Organoide vorgestellt.

Nehmen wir die Anwendung der Quantenrechnungstechnologie im Bereich der präzisen Tumorbehandlung als Beispiel: Die Zusammenarbeit zwischen BosonQ Psi und dem Team von Xiang Dongxi des Shanghai - Instituts für Krebsforschung ist ein typisches Beispiel für die tiefe Integration der Quantenrechenleistung und der klinischen Bedürfnisse, die auf der kohärenten optischen Quantenrechnungsplattform basiert.

Technisch gesehen gehören viele Kernprobleme in der Tumordiagnose und - behandlung im Wesentlichen zu den hochdimensionalen kombinatorischen Optimierungsproblemen. Einfacher ausgedrückt, wenn man die optimale Lösung aus einer großen Menge an komplexen Daten finden muss, wächst die Anzahl der möglichen Kombinationen exponentiell mit der Anzahl der Variablen. Traditionelle Computer brauchen in solchen Fällen oft sehr lange Zeit oder können die Aufgabe gar nicht erledigen.

Nehmen wir die intraoperative Bestimmung der Resektionsgrenze als Beispiel: Im Übergangsbereich zwischen Tumor und gesundem Gewebe gibt es eine Ansammlung von immunsuppressiven Signalen und eine Anreicherung von Zellen, die der Immunabwehr entkommen. Diese mikroskopischen Unterschiede können nicht präzise durch traditionelle morphologische Untersuchungen erkannt werden. Daher nutzt das Team von Xiang Dongxi den kohärenten optischen Quantencomputer mit 1000 Quantenbits von BosonQ Psi, um die räumlichen Positionsinformationen des Tumors und die Transkriptomdaten zu integrieren und das Konzept der "Energiebestimmung" einzuführen. Das heißt, der Quantencomputer erkennt die unterschiedlichen Energiesignale zwischen gesundem Gewebe, Tumorgewebe und deren Übergangsbereich, um auf diese Grundlage ein Modell zur Bestimmung der Resektionsgrenze aufzubauen.

Dieser Prozess hängt von der Fähigkeit des kohärenten optischen Quantencomputers ab, das "Max - Cut" - Problem zu lösen. Max - Cut ist ein klassisches Problem in der kombinatorischen Optimierung, nämlich, wie man bei gegebenen Knoten und Verbindungen diese in zwei Gruppen aufteilen kann, so dass die Summe der Gewichte der durchtrennten Verbindungen maximal wird. Bei klassischen Computern wird die Lösung dieses Problems umso schwieriger, je höher die Daten - Dimension ist, und die Schwierigkeit wächst exponentiell. Ein spezieller Quantencomputer mit 1000 Quantenbits kann dieses Problem hingegen in Millisekunden lösen, was um Tausende von Malen besser als die Leistung klassischer Computer ist, und somit wird es möglich, Tumorreste an mikroskopischen Resektionsgrenzen intraoperativ präzise zu erkennen.

Darüber hinaus geht die Quantenrechnung im vorderen Bereich der Hirnforschung/Hirn - Computer - Schnittstelle von der theoretischen Vorstellung in die praktische Validierungsplattform über. Die Zusammenarbeit zwischen BosonQ Psi und dem Team von Sun Liuyang des Shanghai - Instituts für Mikrosystemtechnik und Informationstechnologie der chinesischen Akademie der Wissenschaften bietet einen solchen Einstiegspunkt.

Einer der Kernherausforderungen der Hirn - Computer - Schnittstelle liegt in der extrem hohen Rechenlast bei der Verarbeitung von Gehirnsignalen. Das menschliche Gehirn hat etwa 86 Milliarden Neuronen. Bei der Analyse dieser riesigen Menge an parallelen Daten sind die Decodierungsverzögerung und der Datendurchsatz für traditionelle Computer immer noch unüberwindbare Engpässe.

Bei diesem Workshop hat Sun Liuyang das von dem Shanghai - Institut für Mikrosystemtechnik und BosonQ Psi gemeinsam entwickelte Quanten - optisches Rechensystem zur Hirnwellensignal - Decodierung vorgestellt, das die Decodierungsverzögerung von Hirnwellensignalen auf etwa 0,075 Millisekunden reduziert. Die Verarbeitungsverzögerung des traditionellen GPU - Ansatzes liegt normalerweise im Millisekundenbereich, was bedeutet, dass 0,075 Millisekunden eine Größenordnung schneller ist. Noch wichtiger ist, dass dieses System eine "Komplexitäts - unabhängige Skalierbarkeit" hat, d. h., wenn die Anzahl der zu überwachenden Nervensignal - Kanäle von einigen hundert auf Tausende oder sogar Zehntausende ansteigt, steigt die Verarbeitungsverzögerung nicht exponentiell.

Technisch gesehen liegt der Schlüssel zu diesem Durchbruch in der Integration der Quanten - optischen Rechentechnik und der optischen Nervenregulierungstechnologie. Ein weiterer Forschungsbereich des Teams von Sun Liuyang ist die nicht - invasive optische Nervenregulierung, die das "Durchdringen von Nahinfrarotlicht + Photoelektrische Umwandlung" - Prinzip anwendet. Sie wandelt das Lichtsignal durch up - conversion - Nanopartikel und photovoltaische Materialien in lokale elektrische Stimulationen um und kann so die Regulation von tiefen Gehirnregionen ohne Elektrodenimplantation erreichen. Wenn das Lichtpulssignalübertragung mit den Quanten - optischen Eigenschaften der Quantenrechnung kombiniert wird, kann der Quantencomputer die Signalanalyse direkt im "Lichtbereich" durchführen, ohne wiederholte Photoelektrische Signalumwandlungen, wodurch die Verzögerung erheblich reduziert wird. Dies ist auch die zugrunde liegende Logik, warum das Quanten - optische Rechensystem zur Hirnwellensignal - Decodierung eine Verzögerung von 0,075 Millisekunden erreichen kann.