愉快的春節(jié)假期轉(zhuǎn)眼結(jié)束，不知道在假期期間，大家有沒有去看最近十分熱門的電影《流浪地球 2》呢？如果你去看了，那么想必會對電影中展示的各種科技設(shè)備印象深刻，從宏偉的太空電梯到可以控制全球數(shù)萬臺行星發(fā)動機(jī)的量子計(jì)算機(jī) 550W，都讓人驚嘆不已。

(資料圖片僅供參考)

其中，量子計(jì)算機(jī) 550 系列的戲份之多，甚至足以媲美電影中的主角，在幾乎所有的關(guān)鍵場所、情節(jié)中都有出場，在電影中更是將其稱為流浪地球計(jì)劃得以成功實(shí)施的關(guān)鍵。

如果你有看完片尾階段的彩蛋，你還會發(fā)現(xiàn)代號 550W 量子計(jì)算機(jī)，或許就是整個(gè)流浪地球系列電影中的最大反派，從人類逃亡計(jì)劃的基石到幕后最大反派（可能），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)到底又發(fā)展到什么程度了呢？

量子計(jì)算機(jī)到底是什么？

什么是量子計(jì)算機(jī)？簡單來說，量子計(jì)算機(jī)就是以量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備，其與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)有著本質(zhì)上的區(qū)別。目前傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)基本遵循二進(jìn)制（在早期的電子管時(shí)期也有十進(jìn)制等設(shè)備，后期則基本為二進(jìn)制），其狀態(tài)只有 0 與 1，而量子計(jì)算機(jī)則不同，簡略來說它有著 0、1、2 三個(gè)狀態(tài)。

略懂計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史的朋友此時(shí)或許就開始吐槽了，0、1、2 不就是三進(jìn)制計(jì)算機(jī)嗎？要注意的是，三進(jìn)制的 0、1、2，只是表示其逢三進(jìn)一的一種計(jì)算方式，而非狀態(tài)。

或者這么說會更好理解，在二進(jìn)制系統(tǒng)中，0 是關(guān)，1 是開，只有開與關(guān)兩種狀態(tài)。而在量子計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)中，0 是關(guān)，1 是開，2 則是不確定（參考薛定諤的貓），在量子力學(xué)中一般將“2”的狀態(tài)稱之為疊加態(tài)，“2”并不代表某一個(gè)狀態(tài)，而是 n 個(gè)狀態(tài)的疊加。

所以，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，我們假設(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。

此時(shí)我們還有一臺具有四個(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。

16 倍，好像并不多？那么如果將比特?cái)?shù)增加到 5 呢？答案是 32 倍，6 個(gè)比特呢？64，倍。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，略懂?dāng)?shù)學(xué)的朋友應(yīng)該能夠意識到其中的恐怖，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。

而且，量子計(jì)算機(jī)還有一個(gè)神奇的特性 —— 量子糾纏態(tài)，量子糾纏態(tài)可以無視時(shí)間、空間使得距離無數(shù)遠(yuǎn)的兩顆量子瞬間完成同步。簡單來說，如果有兩顆處于糾纏態(tài)中的量子，一顆在中國，一顆在月球，在中國的人將手上的量子轉(zhuǎn)了個(gè)圈（比喻）同時(shí)打開激光燈照向月球，在激光到達(dá)月球前，月球上的量子就已經(jīng)同步轉(zhuǎn)了一圈。

量子糾纏態(tài)超越時(shí)間與空間的特性，使其成為科幻作品中時(shí)空穿梭等概念的可行性猜想之一。而在量子計(jì)算機(jī)中，科學(xué)家則可以利用這個(gè)特性，讓量子計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間里進(jìn)行多組不同的運(yùn)算，最后通過觀察使其坍塌向概率最大的結(jié)果，也就是“正確答案”。

可以說，在量子計(jì)算機(jī)面前，人類目前所使用的加密系統(tǒng)形同虛設(shè)，擁有一臺強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)的人理論上可以隨意進(jìn)出各國的在線金融系統(tǒng)，并且任意修改賬戶上的金額。當(dāng)然，這是最無聊的應(yīng)用，如果現(xiàn)實(shí)中可以造出 550W，我們甚至可以從原子層面模擬整個(gè)世界。

我們離“MOSS”還有多遠(yuǎn)？

在《流浪地球 2》中，MOSS 是搭載于最新型量子計(jì)算機(jī) 550W 上的人工智能，550W 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)動機(jī)，還有余力進(jìn)行行星發(fā)動機(jī)的建設(shè)與維護(hù)，甚至還可以模擬數(shù)字生命，使其壽命延長到 70 年（在 550C 中為 2 分鐘）。

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 550W 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。

不過，編劇似乎在這里擺了一個(gè)小烏龍，八千多量子體積的量子計(jì)算機(jī)其實(shí)我們有了，理論上在離子阱量子計(jì)算機(jī)中，只需要 13 個(gè)量子比特就可以得到相同量子體積的計(jì)算機(jī)。

有研究相關(guān)領(lǐng)域的網(wǎng)友表示，想要實(shí)現(xiàn)片中 550W 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 550W 還有 20 倍以上的差距。

而且，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 550W 的同等算力，我們還有很長很長的一段路要走。而算力只是制造 550W 的第一步，想要在現(xiàn)實(shí)中復(fù)刻“MOSS”，目前還看不到希望。

為何？不知道大家是否還記得電影中的一個(gè)橋段，太空電梯的無人機(jī)操控系統(tǒng)失控，最終的解決方案是將 550C 接入控制中心的主電腦，直接生成新的操作系統(tǒng)覆蓋舊系統(tǒng)。

該劇情橋段發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)中，量子計(jì)算機(jī)仍是戰(zhàn)略設(shè)備，僅用于少數(shù)極重要的項(xiàng)目中，所以無人控制中心所使用的其實(shí)是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。不需要額外的操作，550C 就自主完成了兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的編譯轉(zhuǎn)碼，同時(shí)還在極短的時(shí)間里自編譯了一個(gè)新的系統(tǒng)底層。

而且 550 系列量子計(jì)算機(jī)幾乎可以被用在所有需要算力的場景，這意味著 550 系列是通用量子計(jì)算機(jī)，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，可望而不可即。

我們目前的量子計(jì)算機(jī)，其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，比如并行運(yùn)算等場景。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。

簡單來說，我們目前的量子計(jì)算機(jī)是特異化的設(shè)備，只在特定領(lǐng)域可以正常運(yùn)行，如果讓其在非特定領(lǐng)域工作，性能甚至還不如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。可以說，量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的最終夢想，就是打造一臺通用量子計(jì)算機(jī)，屆時(shí)一切需要用到計(jì)算機(jī)的事物，都將得到前所未有的加強(qiáng)。

在一些研究者的設(shè)想中，成熟的通用量子計(jì)算機(jī)可以在原子層面模擬一個(gè)人乃至一顆星球，并且利用量子特性計(jì)算出這個(gè)人的未來，也就是科幻作品中的“預(yù)知未來”。聽起來或許異想天開，但是在量子力學(xué)中這并非不可能實(shí)現(xiàn)的，在電影中也有所表達(dá)，比如數(shù)字生命圖丫丫，還有片尾彩蛋中，MOSS 預(yù)告了數(shù)十年后才會發(fā)生的木星危機(jī)。

我們與電影中的量子計(jì)算機(jī)距離，可以借用某個(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。

不過，或許也不需要悲觀，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，隨著量子計(jì)算機(jī)的普及，計(jì)算中心等基礎(chǔ)設(shè)施將會得到可觀的性能提升，隨之而來的變革或許將會徹底顛覆我們的社會。

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