Moderna 与 IBM® Quantum 合作建立量子生物技术管道。
Moderna 是一家领先的制药与生物技术公司。作为信使 RNA (mRNA) 药物和疫苗领域的先驱，该公司采用人体内至关重要的 mRNA 分子来治疗和预防疾病。如今，Moderna 正通过与 IBM 建立研究与技术合作伙伴关系，探索量子计算在 mRNA 药物设计中的应用。
人体含有超过 10 万种蛋白质，每一种蛋白质都来源于 mRNA。数十年来，科学家们一直认为 mRNA 有望成为新型药物的基础，这类药物能在细胞功能的最基本层面治疗疾病。Moderna 始终走在行业前沿，致力于将洞察分析付诸行动。
该公司利用 mRNA 技术引导细胞生成蛋白质，从而预防或治疗以往无法治愈的疾病。
虽然传统计算机是 mRNA 开发的强大工具，但其在解决算力密集型问题时存在局限性。量子计算则为应对这些挑战提供了极具前景的新方案，在现有算法达到极限的领域，与传统方法实现高效互补。
Moderna 所面临的关键挑战是开发 mRNA 技术指令，以准确引导人体生成可治疗疾病的蛋白质。对于任意特定蛋白质，可能存在大量天文数字级别的潜在 mRNA 编码序列，使得优化任务越发复杂。
为了解决 mRNA 的医学问题，研究人员首先要确定与疾病有关的生物学机制，并确定哪种蛋白质可以调节该过程。然后，他们要识别编码该蛋白质的核苷酸序列。除了对蛋白质进行编码外，研究人员还需确保序列在人体内维持稳定。他们还要确保其足量生成以维持效力，同时避免引发不必要的免疫反应。因此，需要深入了解细胞化学且具备强大的计算能力，以便筛选数百万种潜在核苷酸序列以寻获合适的序列。
Moderna 在分子化学研究方面采用了快速且可扩展的手段，但该公司始终致力于寻求优化 mRNA 药物开发过程的途径。这一动力促使 Moderna 在量子计算技术即将实现实际应用之际，率先拓展其专业能力。
“我们的目标是改善人类健康。”Moderna 量子算法与应用科学副总监 Alexey Galda 说，“我们认为，探索包括量子计算在内的各类可用工具对于加速当前研发进程至关重要，而非等待未来这项技术完全成熟。”
要预测 mRNA 分子在人体内的行为模式，关键在于了解其二级结构，即导致 RNA 链折叠形成茎环和凸起结构的核苷酸间内部作用力模式。这类结构会影响 mRNA 转译蛋白质的效率、稳定性及其与细胞机制的相互作用。
理论上，每个 mRNA 序列均可折叠为天文数字级二级结构，但根据控制分子行为的物理定律，只有一小部分序列能形成该结构。实际上，分子倾向于采用自由能最低的结构，即生理条件下最稳定的构象。预测此结构需要解决复杂的组合优化问题，这使其成为了量子增强算法的理想应用场景。
IBM 企业合作伙伴正在深入了解变分量子算法 (VQA) 在从金融到航空航天各行业中的可能应用；这是近期量子应用研究的一类算法。对 VQA 和其他启发式算法的研究非常振奋人心，因为在纠错等下一代量子计算技术到来之前，这些算法可能会带来量子优势。
Moderna 和 IBM 的研究人员采用金融领域的风险评估技术——条件风险价值 (CVaR)，提升 VQA 性能并寻找应对复杂优化问题的最佳解决方案。CVaR 可帮助投资者评估投资组合的末端风险，以估算最坏情况下可能出现的投资损失。在量子计算中，CVaR 通过聚焦能量分布下端区域的优化过程，精准锁定最具潜力的解决方案。CVaR 专注于优化测量分布的低能区域，将传统优化器高效切换为更具潜力的解决方案，同时降低对噪声异常值的敏感度，从而减少方差。由于 CVaR 作为轻量级传统后处理步骤运行，因此它能强化 VQA，而不会增加大量计算开支。
CVaR 的低计算开支是一项关键优势。尽管 IBM 致力于抑制硬件层面的噪声，并采用错误率更低的 IBM Quantum Heron 处理器等优化架构，但通常仍需要投入额外的误差消除技术。这类技术需利用量子和传统资源来表征并校正噪声效应，但会减少可用于解决实际科研问题的算力资源。基于 CVaR 的 VQA 通过采用轻量级传统处理方式，高效生成高质量的测量结果，从而减轻这一负担，并借助更大的系统容量进行高价值计算。
目前，量子计算机正迅速扩展，并且对噪声的抑制能力日益强大。我们已步入量子实用时代，量子计算机针对特定问题可提供超越经典暴力近似方法的可靠结果。IBM Quantum 副总裁 Jay Gambetta 预计，只要量子界和高性能计算界共同普及该技术，全球将于 2026 年见证量子优势的首个实例。通往量子优势的途径之一是不断完善并优化启发性方法。Moderna 与 IBM 合作推进 VQA 实用化进程，因其深谙率先拥抱新兴技术的战略机遇。
Moderna 数字业务高级副总裁 Wade Davis 表示：“我们很早就接纳了新技术，因为我们宁愿根据自身节奏掌握技术，也不愿日后被动追赶。与 IBM 的合作为我们提供了了解量子技术的契机，而非待其成熟后仓促应对。”
Moderna 与 IBM® Research 联合团队取得了令人印象深刻的结果，目前正在深入了解二级结构预测的量子方法。在 2024 年 IEEE 国际量子计算与工程会议上发表的一篇论文中，他们展示了一种量子方法，可以与组合优化问题的商业经典求解器的结果相媲美。
在他们的研究中，Moderna-IBM 团队将基于 CVAR 的 VQA 方法应用于 mRNA 二级结构预测问题。该结果是有史以来在量子硬件上执行的最大规模、最先进的 VQA 之一，也展示了量子计算在辅助 Moderna 研究方面的真正潜力。
2024 年，量子二级结构模拟研发工作的规模再创新高，涉及多达 80 个量子比特和长达 60 个核苷酸的 mRNA 序列。据笔者所知，此前从未有人在量子计算机上成功模拟过长达 42 个核苷酸的序列。
在 2025 年即将发表的研究中，研究人员将该方法应用于规模达 156 量子比特的问题且涉及 950 个非局域门，这一数字正是衡量电路复杂程度的指标。他们还提出了解决此类问题的新方法，即基于瞬时量子多项式 (IQP) 电路的量子优化。这种采样方法类似于基于 CVaR 的 VQA，可以在联合量子高性能计算 (HPC) 环境下高效利用量子和传统资源。
规划短期量子生物技术管道
Moderna 的最终目标并非以量子方法取代传统计算，而是构建短期量子生物技术管道。“人们通常认为量子技术的性能优于传统计算。这并非我们的目标。如果您的量子工具能够为您提供更多样化的解决方案组合，生成更多元化的分子并在湿实验室中投入测试，这也很有价值。”Galda 说，“运用这一具备独特属性的额外工具，对于突破我们工作流中的核心瓶颈——计算问题极具价值。我认为最现实的场景是，量子将增强传统计算能力并针对特定领域发挥优势。”
IBM 力求结合传统和量子方法，以解决社会与企业所面临的关键问题。以量子为中心的超级计算致力于将问题划分为量子和传统架构，确保两者实现互补，从而快速攻破以往无法解决的问题。IBM – Moderna 团队专注于研究以量子为中心的方法，借此解决更大规模的二级结构问题。
Davis 表示：“与 IBM 的合作，为我们提供了与这家具有重大科研成果交付记录的企业建立伙伴关系的契机。在量子计算领域，IBM 拥有清晰的技术开发路线图，并且在冲刺该路线图里程碑方面保持良好记录，这一点非常重要。”
随着量子计算规模的扩大，Moderna 希望结合这项技术与 mRNA 药物，最大限度发挥其对人类的潜在影响。
Moderna 成立于 2010 年，致力于科学、技术和健康的交叉领域的研究，以前所未有的速度和效率创造 mRNA 药物。受益于 mRNA 技术的进步，Moderna 正在重新构想药物的生产方式，并改变我们治疗和预防民众疾病的方法。该公司开发了最早、最有效的新冠疫苗之一 Spikevax，以及呼吸道合胞病毒 (RSV) 疫苗。Moderna 的 mRNA 平台使传染病、免疫肿瘤学、罕见疾病和自身免疫性疾病的治疗和疫苗研发成为可能。公司拥有独特的文化和一支全球团队，在 Moderna 价值观和思维方式的驱动下，负责任地改变人类健康的未来，致力于通过 mRNA 药物为人们带来最深远的影响。
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