基于人工智能和量子计算，微软启动加速科学发现的合作研究

微软公司不仅全力投入生成式人工智能的发展，也一直在量子计算领域进行合作研究。微软CEO纳德拉表示，微软将通过Azure Quantum把人工智能和量子计算结合起来，开创科学发现的新时代，目标是将未来250年的化学和材料科学进展压缩到25年。

2024年1月，微软公司宣布启动与美国能源部西北太平洋国家实验室的长期合作，利用高性能云计算和先进的人工智能以全新的方式开展科学研究，从而加速科学发现。在未来几年中，微软与美国西北太平洋国家实验室的合作将在科学发现、可持续能源和国家安全领域实现突破性发展，通过融合尖端技术和科学专业知识，解决世界上从清洁能源到消除有毒化学品等最紧迫的挑战。

这项合作首先强调计算化学和材料科学领域的研究发现，但目前已扩展到其他领域。微软将提供基于云的高性能计算、先进的人工智能模型，以及专为支持科学发现而打造的平台Azure Quantum Elements。西北太平洋国家实验室的研究人员则带来数十年来在能源领域的科学知识和经验，包括电池技术、催化、计算化学、材料科学、量子信息科学等，测试识别有前途的能源应用新材料。合作团队将共同展示计算模拟和实验室验证所需的快速循环，以实现人工智能在化学、材料科学及其他领域的科学应用前景。

发现识别新材料需要大量计算，而化学是量子计算的首批应用领域之一。微软的Azure Quantum Elements平台提供了一个专为化学和材料科学研究设计的云计算系统，着眼于最终的量子计算，目前微软已在开发此类模型、工具和工作流程。这些模型将针对未来的量子计算机进行改进。为了评估其在现实世界中的进展，微软量子团队重点研究了电池材料。

作为与微软合作的一部分，西北太平洋国家实验室的科学家们正在测试一种新的电池材料。这种新型电池材料是利用微软的Azure Quantum Elements平台在短时间内从3200万种潜在的无机材料中筛选出的18种可用于电池开发的候选材料的合作成果。得益于人工智能与高性能计算的结合，发现最有前途的候选材料仅用了80个小时。首先，微软通过不同的人工智能系统训练对所有可行的元素进行复杂的评估，并提出3200万个候选组合建议；其次，通过人工智能系统找到所有稳定的材料，利用另外的人工智能工具筛选出候选分子，精简到约50万种，其中大部分是新的稳定材料，再精简到800种；然后，下一组过滤器使用的是高性能计算，通过分子动力学模拟将候选材料名单最终缩减到150种；最后，科学家们根据每种材料的实用性评估，将候选材料名单缩减到23种，其中5种是已知材料。

微软科学家利用人工智能完成了绝大部分筛选工作，约占计算时间的90%。西北太平洋国家实验室的材料科学家将候选材料筛选到50%。高性能计算部分占计算时间的10%。即使是拥有超级计算机的大学和研究机构，这种高强度计算也是瓶颈所在，因为一般的超级计算机不仅不是为特定领域量身定制的，而且是共享使用的。微软基于云的人工智能工具缓解了这种状况。微软的人工智能工具不仅仅是针对电池材料系统，而是针对化学领域进行训练的，可以用于任何类型的材料研究，并且可随时访问云端。

新材料的研究工作还处于早期阶段，其他的科学发现也仍有可能。这项工作为加快解决紧迫的可持续发展、制药和其他挑战的新方法开辟了道路，同时也让人们看到了量子计算结合人工智能解决复杂科学和数学任务的可能性。微软和西北太平洋国家实验室的合作是一项长期持久的合作，旨在加快科学发现的速度，将这些计算范式转变的力量与化学和材料科学结合起来，发挥人工智能模型和高性能计算的作用，在特定科学领域训练人工智能模型的成熟能力。

参考文献：

[1]Discoveries in weeks, not years: How AI and high-performance computing are speeding up scientific discovery[EB/OL].  (2024-01-09)[2024-01-28]. https://news.microsoft.com/source/features/sustainability/how-ai-and-hpc-are-speeding-up-scientific-discovery/

[2]Azure Quantum Elements aims to compress 250 years of chemistry into the next 25[EB/OL].(2024-01-09)[2024-01-28].https://news.microsoft.com/source/features/innovation/azure-quantum-elements-chemistry-materials-science/

[3PNNL Kicks Off Multi-Year Energy Storage, Scientific Discovery Collaboration with Microsoft][EB/OL].(2024-01-09)[2024-01-28]. https://www.pnnl.gov/news-media/pnnl-kicks-multi-year-energy-storage-scientific-discovery-collaboration-microsoft/