量子计算——也许是全球粮食安全问题的答案

发布者:bpadmin
发布时间:2021-06-17 06:11
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即使在21世纪,粮食安全仍然是个大问题。世界上极易受极端天气和自然灾害影响的地区需要获得更具韧性的农作物和种植技术。

在过去的几十年里,科技已经将数亿人从饥饿的边缘拯救出来。选择育种创造了更好的农作物,更有韧性和产量更高。不断改进的机械、肥料和土壤管理措施提高了肥力,而先进的化学植保产品抑制了杂草和虫害对农业的压力,使生产不致于瘫痪。





由数据分析和人工智能支持的作物智能解决方案代表着农业最新进展,可以帮助农民做出更明智的决定,并在各种压力影响作物产量之前采取行动解决问题。这类解决方案现已面市,但粮食安全“武器库”中的另一个潜在工具可能会让之前出现的技术相形见绌,这就是“量子计算”。

“量子计算”是一个很难简明单说明的话题,因为在亚原子尺度上发生的事情仍然有点神秘。因在量子力学上的开创性工作而获得诺贝尔奖的已故理论物理学家,理查德·费曼(Richard Feynman),曾承认,“我认为可以肯定地说,没有人理解量子力学”。重要的是,量子水平上的怪异行为可以用数学来分析。


从位到量子位

在传统的计算机处理器中,我们使用众所周知的电与硅相互作用的行为来进行计算。理查德·费曼在30年前就提出,我们或许能够以类似的方式,利用量子计算机的亚原子行为来分析信息。

量子计算处理器分析信息的方式不同于电脑,后者将信息分解为运算基础单位1和0位。量子计算中的最小信息单位是“量子位”,在处理过程中处于0到1之间的某个状态,而且即使在物理上是分开的,它们能够影响其他量子位的状态。然而,这两种被称为“叠加”和“纠缠”的性质,在我们已经习以为常的由艾萨克·牛顿所阐述的物理定律下是不可能的。

多亏了量子位,量子计算处理器的能力呈指数级增长。也就是说,两个量子位所包含的信息量相当于传统计算机中的四个位。如果你有3个量子位,那就是普通计算机的8个位。如果再加三个量子位,就有128个常规的“位”了。一旦增加到大约400个量子位,就相当于121位数字大小的常规位,量子计算优势就会非常明显。这比谷歌名字所代表的最大数字“古戈尔”(自然数10100 )还要大。

量子计算机不是一台超大尺寸的传统个人电脑。量子计算机将完全不同,只能运行某些特定类型的计算。特别是,它们非常适合于分析涉及多个相互作用变量的高度复杂系统。这正好有助于种植者所面对的——理解自然界异常复杂的过程。


植物基因组
量子计算应该可以帮我们寻找那些从未问过的问题的答案,因为传统计算机无法处理所涉及数学问题的规模。例如,人类23对染色体有800万种可能的组合,而这些染色体可能包含数千个基因。仅拿这些基因中的一个来说,就有大约70万亿种可能的等位基因组合。我们的基因组估计有3万个基因,所以即使试图给可能的组合数量分配一个数字,也很快就变得毫无意义。从实际的角度来看,它可能是无限的。

你可能会认为植物远没有人类那么复杂。然而,大豆大约就有4.6万个基因。直接破译大豆中哪些基因组合可产生所需要的性状,就像改变人类的基因组合来预防疾病一样困难。释放人类或植物基因组的全部潜力超出了现有计算机的能力。

现在,我们所做的是绕过计算能力的问题。比方说,就提高植物的抗旱性而言,我们无法确切的改变某些基因,而是把有前途的品种杂交,并进行成千上万组的产量试验,看看新品种是否在产量和抗旱性状上表现出改善。这并不像种植一棵植物,然后看看它是如何生长的那么简单。育种需要大量的种植和筛选,这样才能获得具有统计意义的样本。如果只测量一棵植物,它可能会表现很好,因为它所在的位置可能更有利,而非改善了它的基因遗传。所以,整个育种过程通常需要大约五到七年的时间。

量子计算为跳过杂交过程,直接识别那些决定重要性状的基因打开了大门。CRISPR是一种极其强大的基因编辑工具,然后可以用来创造具有所需性状的新品种,从而可以直接进入试验阶段。所有这些所需要的时间,只是现在从育种到市场化的整个过程的一小部分。

量子计算的分析深度可能会推动我们对植物(和人类)遗传密码的理解,将远远超出我们今天所知。在某种程度上,它甚至有可能不仅为一株植物获得更高的产量,而且还可能在给定的一组条件下实现绝对的最高产量。

这是个令人着迷的前景,但没有人确切地知道量子的未来会是什么样子。我们确实看到了未来的一角,因为原始的量子计算机已经可以用于实验用途。根据一些专家的说法,我们将在5到10年内拥有混合型的计算机,通过量子和常规处理相结合的方式来实现计算能力的大幅提高。

具有数百或数千量子位的超级量子计算机将需要更长的时间才能开发出来。按照目前的进展速度,他们很有可能会及时到达,提供农民赢得粮食安全之战所需的产量收益。
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