《流浪地球2》MOSS出圈，現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)長啥樣？

科技云報(bào)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(yù)為“全場最有價(jià)值道具”的智能量子計(jì)算機(jī)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(gè)流浪地球系列電影中的最大反派，從發(fā)動(dòng)太空電梯襲擊到制造月球危機(jī)，都是MOSS的手筆。

那么，量子計(jì)算機(jī)真的如電影中描述的那般強(qiáng)大嗎？現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)離MOSS還有多遠(yuǎn)？

現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)

先讓我們來看看世界上著名的幾臺量子計(jì)算機(jī)的尊容。下圖分別是來自量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)只有手提箱大小、可單人攜帶，但現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)看起來更像一個(gè)形狀復(fù)雜的吊燈，且必須在嚴(yán)苛的環(huán)境中運(yùn)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(diǎn)點(diǎn)，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(jì)算機(jī)到底是什么？和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有什么區(qū)別呢？

所謂量子計(jì)算機(jī)，是指利用原子、電子等微觀物質(zhì)遵循的物理學(xué)規(guī)律——“量子力學(xué)”的性質(zhì)去實(shí)現(xiàn)計(jì)算的計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度。

不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)依靠二進(jìn)制“比特”（0和1）來處理信息，支撐量子計(jì)算的“量子比特”是微小的亞原子粒子，可以同時(shí)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(jìn)制（0、1、2）的計(jì)算方法。

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

在量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行過程中，“2”的存在使得量子計(jì)算機(jī)可以在同一時(shí)間處于n種狀態(tài)中。

舉個(gè)例子，假設(shè)存在一臺有四個(gè)比特的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這臺計(jì)算機(jī)每一秒只能得到一個(gè)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(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，它可以同時(shí)計(jì)算從0000到1111的所有排列組合，這意味著量子計(jì)算機(jī)只需要1秒鐘就可以輸出16種狀態(tài)，相當(dāng)于16臺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)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(jì)算能力。

隨著比特?cái)?shù)的增加，量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間的性能差距是呈指數(shù)級增長的，所以實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)速度可以達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)望塵莫及的高度。

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

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

“現(xiàn)實(shí)版”MOSS有多遠(yuǎn)？

在《流浪地球2》中，MOSS的強(qiáng)大在電影中有著多處表現(xiàn)。

比如同時(shí)控制全球各地的數(shù)萬臺行星發(fā)動(dòng)機(jī)，還有余力進(jìn)行行星發(fā)動(dòng)機(jī)的建設(shè)與維護(hù)，甚至還可以模擬預(yù)測長達(dá)70年的數(shù)字生命歷程。

那么，現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)性能如何？

量子計(jì)算機(jī)的性能，取決于其內(nèi)置的量子比特?cái)?shù)量，具體的性能指標(biāo)則是“量子體積”，由IBM所提出的一個(gè)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(qiáng)量子計(jì)算機(jī)，量子體積為128，兩者相差64倍。

有研究相關(guān)領(lǐng)域的網(wǎng)友表示，想要實(shí)現(xiàn)片中MOSS的算力，需要8000個(gè)以上的完美邏輯量子比特。

那么我們現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)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(dá)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。

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

目前，量子計(jì)算機(jī)本身有著很大的局限性，只有在特殊的運(yùn)算中才能發(fā)揮出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能。

而且，想要讓量子計(jì)算機(jī)按照預(yù)定的形式運(yùn)行，也需要技術(shù)人員提前進(jìn)行設(shè)置。

以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制的光量子計(jì)算機(jī)來說，這臺機(jī)器是基于線性光學(xué)，把量子點(diǎn)當(dāng)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(jì)算機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算。

因此，現(xiàn)實(shí)與電影中的MOSS量子計(jì)算機(jī)的距離，借用某個(gè)網(wǎng)友的一個(gè)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(xué)大爆炸，否則我們這一代人是沒有可能見到的。

量子時(shí)代或?qū)砼R

盡管電影中的MOSS量子計(jì)算機(jī)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(gè)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(gè)國家制定了國家量子戰(zhàn)略，還有4個(gè)國家正在制定這些戰(zhàn)略。

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

頂級量子科學(xué)家潘建偉在2021年公布了當(dāng)時(shí)創(chuàng)紀(jì)錄的56比特量子計(jì)算機(jī)。

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

作為回應(yīng)，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(jī)構(gòu)向后量子安全過渡，因?yàn)椤皩?jīng)濟(jì)和國家安全有重大風(fēng)險(xiǎn)”。

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

日前IPRdaily中文網(wǎng)公布了全球量子計(jì)算技術(shù)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(jì)算領(lǐng)域發(fā)明專利申請數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排名。

入榜前100名企業(yè)主要來自18個(gè)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(jì)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(dá)摩院、四川元匠科技、建銀國際、永達(dá)電子。

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

該量子計(jì)算機(jī)的成功交付使我國成為世界上第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國家。

隨著技術(shù)研發(fā)的推進(jìn)，在目前各國的量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃中，上千比特的量子計(jì)算機(jī)將在2023—2025年左右推出市場。

據(jù)外媒消息，IBM在量子計(jì)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(yùn)行并且抗噪聲的量子處理器，這標(biāo)志著量子計(jì)算機(jī)即將實(shí)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(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。

有了量子計(jì)算機(jī)的普及，人類就可以在數(shù)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域開辟出迄今仍深不可測的領(lǐng)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(jì)算中心等基礎(chǔ)設(shè)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(shí)代或許真的要來臨了。

來源：科技云報(bào)道

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