《流浪地球2》MOSS出圈，現(xiàn)實中的量子計算機長啥樣？

科技云報道原創(chuàng)。

春節(jié)檔科幻電影《流浪地球2》上映后，影片中被譽為“全場最有價值道具”的智能量子計算機MOSS（代號550W）火了！

如果你看完了片尾彩蛋，會發(fā)現(xiàn)MOSS或許是整個流浪地球系列電影中的最大反派，從發(fā)動太空電梯襲擊到制造月球危機，都是MOSS的手筆。

那么，量子計算機真的如電影中描述的那般強大嗎？現(xiàn)實中的量子計算機離MOSS還有多遠？

現(xiàn)實中的量子計算機

先讓我們來看看世界上著名的幾臺量子計算機的尊容。下圖分別是來自量子計算機界的“扛把子”——IBM的Q系統(tǒng)。

盡管在電影《流浪地球2》中，MOSS量子計算機只有手提箱大小、可單人攜帶，但現(xiàn)實中的量子計算機看起來更像一個形狀復雜的吊燈，且必須在嚴苛的環(huán)境中運行。

為了正常工作，量子芯片需要冷卻到0.015開爾文——比絕對零度高一點點，比外太空還冷，而大多數(shù)材料在如此劇烈的冷卻下都會收縮或變脆并斷裂。

那么，量子計算機到底是什么？和傳統(tǒng)計算機有什么區(qū)別呢？

所謂量子計算機，是指利用原子、電子等微觀物質(zhì)遵循的物理學規(guī)律——“量子力學”的性質(zhì)去實現(xiàn)計算的計算機，以實現(xiàn)遠超現(xiàn)有計算機的計算速度。

不同于傳統(tǒng)計算機依靠二進制“比特”（0和1）來處理信息，支撐量子計算的“量子比特”是微小的亞原子粒子，可以同時存在于某種比例的兩種狀態(tài)，就像一枚硬幣在半空中旋轉(zhuǎn)，遵循三進制（0、1、2）的計算方法。

其中，0和1是確定狀態(tài)，2在量子力學中一般被稱為疊加態(tài)，是n個狀態(tài)的疊加。

在量子計算機的運行過程中，“2”的存在使得量子計算機可以在同一時間處于n種狀態(tài)中。

舉個例子，假設存在一臺有四個比特的傳統(tǒng)計算機，這臺計算機每一秒只能得到一個狀態(tài)，也就是0000或0101，那么想要獲得所有狀態(tài)就需要16秒。

但是，有一臺四個量子比特的量子計算機，它可以同時計算從0000到1111的所有排列組合，這意味著量子計算機只需要1秒鐘就可以輸出16種狀態(tài)，相當于16臺傳統(tǒng)計算機同時運行的效率。

這種從二元處理到多元處理的飛躍，成倍地提高了計算能力。

隨著比特數(shù)的增加，量子計算機與傳統(tǒng)計算機之間的性能差距是呈指數(shù)級增長的，所以實際的量子計算機速度可以達到傳統(tǒng)計算機望塵莫及的高度。

中國科學院院長白春禮院士曾表示：使用億億次的天河二號超級計算機求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年。而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

因此，量子計算機極大超越經(jīng)典計算機的超并行計算能力，在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領域具有突出優(yōu)勢，是新概念高性能計算領域公認的發(fā)展趨勢。

“現(xiàn)實版”MOSS有多遠？

在《流浪地球2》中，MOSS的強大在電影中有著多處表現(xiàn)。

比如同時控制全球各地的數(shù)萬臺行星發(fā)動機，還有余力進行行星發(fā)動機的建設與維護，甚至還可以模擬預測長達70年的數(shù)字生命歷程。

那么，現(xiàn)實中的量子計算機性能如何？

量子計算機的性能，取決于其內(nèi)置的量子比特數(shù)量，具體的性能指標則是“量子體積”，由IBM所提出的一個專用單位。

電影中的MOSS量子體積為8192，目前IBM新聞中公開的最強量子計算機，量子體積為128，兩者相差64倍。

有研究相關領域的網(wǎng)友表示，想要實現(xiàn)片中MOSS的算力，需要8000個以上的完美邏輯量子比特。

那么我們現(xiàn)在的量子計算機最高是多少呢？433量子比特，由IBM制造，距離影片中的MOSS還有20倍以上的差距。

隨著量子比特的數(shù)量增加，研發(fā)難度也會隨之飆升，想要達到MOSS的同等算力，我們還有很長很長的路要走。

此外，MOSS量子計算機幾乎可以被用在所有需要算力的場景，這意味著MOSS是通用量子計算機。

但在現(xiàn)實的量子計算機研發(fā)中，通用量子計算機還是如同空中樓閣般的存在，可望而不可及。

目前，量子計算機本身有著很大的局限性，只有在特殊的運算中才能發(fā)揮出遠超傳統(tǒng)計算機的性能。

而且，想要讓量子計算機按照預定的形式運行，也需要技術人員提前進行設置。

以中國科學技術大學等單位聯(lián)合研制的光量子計算機來說，這臺機器是基于線性光學，把量子點當做單光子源來使用，從用途來說只能用來做玻色取樣，無法像經(jīng)典計算機那樣實現(xiàn)通用計算。

因此，現(xiàn)實與電影中的MOSS量子計算機的距離，借用某個網(wǎng)友的一個比喻：“大概等同于鉆木取火到i9處理器的差別”。除非出現(xiàn)新的科學大爆炸，否則我們這一代人是沒有可能見到的。

量子時代或?qū)砼R

盡管電影中的MOSS量子計算機還屬于科幻的范圍，但無須悲觀。在過去幾年里，量子已經(jīng)從一個注腳變成了全球國家戰(zhàn)略議程的首位。

迄今為止，已有17個國家制定了國家量子戰(zhàn)略，還有4個國家正在制定這些戰(zhàn)略。

根據(jù)《量子計算報告（Quantum Computing Report）》，自20世紀80年代中期以來，中國在量子研究方面的投資估計為250億美元。

頂級量子科學家潘建偉在2021年公布了當時創(chuàng)紀錄的56比特量子計算機。

中國2021年3月公布的第十四個五年規(guī)劃，將掌握量子技術作為政策重點。

作為回應，白宮在（去年）5月公布了一份《國家安全備忘錄（National Security Memorandum）》，該備忘錄命令所有聯(lián)邦機構(gòu)向后量子安全過渡，因為“對經(jīng)濟和國家安全有重大風險”。

作為一項全新的科技競爭，全球有100多家量子計算公司投入了巨大的人力物力進行研制。

日前IPRdaily中文網(wǎng)公布了全球量子計算技術發(fā)明專利排行榜（TOP100）榜單，對截至2022年10月18日，在全球公開的量子計算領域發(fā)明專利申請數(shù)量進行統(tǒng)計排名。

入榜前100名企業(yè)主要來自18個國家和地區(qū)，美國占比40%，中國占比15%，日本占比11%。

其中來自美國的科技公司IBM以1323件專利位列第一，美國科技公司Google和加拿大量子計算公司D-Wave分別以762件專利、501件專利排名第二位和第三位。

至于中國公司，主要包括本源量子、百度網(wǎng)訊、浪潮、騰訊科技、華為、阿里巴巴、圖靈量子、啟科量子、量旋科技、國家電網(wǎng)、國儀量子、阿里巴巴達摩院、四川元匠科技、建銀國際、永達電子。

目前，本源量子已研發(fā)出多臺中國量子計算機，并成功交付一臺量子計算機給用戶使用。

該量子計算機的成功交付使我國成為世界上第三個具備量子計算機整機交付能力的國家。

隨著技術研發(fā)的推進，在目前各國的量子計算機計劃中，上千比特的量子計算機將在2023—2025年左右推出市場。

據(jù)外媒消息，IBM在量子計算軟件發(fā)展路線圖中顯示，將于2023年推出數(shù)千量子比特，能夠穩(wěn)定運行并且抗噪聲的量子處理器，這標志著量子計算機即將實現(xiàn)商業(yè)化。

谷歌也同樣表示，在2030年之前，將建造可以容納100萬個量子比特的量子計算機。

有了量子計算機的普及，人類就可以在數(shù)學和科學領域開辟出迄今仍深不可測的領域，幫助解決諸如氣候變化、食品安全、藥物研究等現(xiàn)存挑戰(zhàn)，計算中心等基礎設施也會得到可觀的性能提升，隨之而來的變革將會徹底顛覆我們的社會。

屬于人類的量子時代或許真的要來臨了。

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