《流浪地球2》的大boss：量子計算能拯救人類？

近日國產(chǎn)科幻大片《流浪地球2》熱播，不同于那些未來感超強的科幻電影，《流浪地球2》中很多元素都是現(xiàn)階段已有技術(shù)的“進階版”，這種似曾相識反而讓這部發(fā)生在這個百年的故事更具現(xiàn)實感。

在這部電影中，最吸睛的科幻元素一定是圍繞量子計算機550系列以及迭代后具備自我意識的人工智能MOSS（550W）。量子計算是當前最為火熱的研究領(lǐng)域之一，550系列設(shè)定未免有些科幻，但是這符合人類對量子計算機的期待——開啟下一個算力時代。2019年9月，谷歌宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木（sycamore）”，在對一個53比特20個cycle的電路采樣一百萬次的問題上，量子計算機上需要200秒，而用超級計算機summit進行同樣的任務(wù)下則需要一萬年。2020年12月，中國科技大學(xué)潘建偉教授團隊研發(fā)的“九章”光量子計算機對在經(jīng)典數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣的計算中用200秒解決了，超級計算機“富岳”要6億年解決的問題。

“量子霸權(quán)”的概念讓量子計算成為全球科技競爭的下一個熱點。量子計算機的超強算力可以在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報、材料設(shè)計、藥物分析等領(lǐng)域，提供比傳統(tǒng)計算機更強的算力支持。

一眼萬年的量子計算機

在電影中，550系列的量子計算機被用于處理“流浪地球”計劃中最復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算，包括抵御對太空電梯的攻擊；調(diào)度全球計算資源以輔助行星發(fā)動機的建設(shè)；實現(xiàn)“數(shù)字生命”甚至于發(fā)展出自主意識。

近乎“神化”的量子計算機，距離普及還有多久？

要回答這個問題首先要了解量子計算機是如何實現(xiàn)超強算力的。經(jīng)典計算機一次只能處于兩種狀態(tài)之一，但量子計算機可以同時處于多種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。這就是量子計算機的優(yōu)勢所在：它們可以同時探索許多不同的可能性，而不是像經(jīng)典計算機那樣必須逐一嘗試。

在經(jīng)典計算中，比特是信息的基本單位。它可以表示 0 或 1。在量子計算中量子位是基本單位，一個量子位不限于只代表一個 0 或一個 1。相反，它可以同時代表 0 和 1 的組合，這稱為疊加。這一個量子位可以同時處于 0 和 1 的概率范圍內(nèi)，當測量量子比特時，它只會根據(jù)這些概率輸出 0 或 1。

一個量子位能表達三種狀態(tài)，意味著量子計算機內(nèi)一次計算的數(shù)據(jù)量是 2^N ，N 是量子位個數(shù)。所以隨著量子位數(shù)量的增加，量子計算處理數(shù)據(jù)量可以呈現(xiàn)指數(shù)增長。借由量子計算機，現(xiàn)有的加密算法將不再安全。通過破解，可以得到任何銀行賬戶的密碼。從理論上講，具有約 1,000,000 個量子比特的量子計算機可以在幾個月內(nèi)破解 AES 256 等加密算法。因此，美國國家標準與技術(shù)研究院針對經(jīng)典計算機提出并批準了 4 項抗量子標準。在電影中550C就用來解決了開場無人機被黑的“叛亂”。

在保持超高算力超高的條件下，量子計算機的體積現(xiàn)要小于現(xiàn)在的超級計算機。谷歌實驗室53 個量子位的計算機，占地并不大，可能就一個廚房大小。但目前完美的量子計算機仍是一個理想化的概念，距離它被廣泛使用仍有許多挑戰(zhàn)。

量子計算機的重重考驗

現(xiàn)階段，盡管量子計算的概念如此火熱，現(xiàn)實卻是量子計算尚未實現(xiàn)真正的應(yīng)用。

量子計算的結(jié)果不能保證完全準確。量子計算中量子位需要相互糾纏，系統(tǒng)之外沒有其他東西。當系統(tǒng)被觀察時，它會失去其量子態(tài)并坍縮成最終答案，有點像薛定諤的貓。如果量子比特與外界相互作用，模型就會受到影響。這意味著量子計算的結(jié)果準確性需要檢測。為了核驗“九章”算得“準不準”， 潘建偉團隊用超算同步驗證，在驗證中10個、20個光子的時候，結(jié)果都能對得上，到40個光子的時候超算就比較吃力了，“九章”一直算到了76個光子。

量子計算機的工作條件十分嚴格。量子比特可能會受到輕微電磁輻射的影響，包括宇宙射線、溫度或機械振動。這些相互作用導(dǎo)致量子比特失去它們的量子特性，這可能導(dǎo)致計算錯誤。最大的挑戰(zhàn)是如何在物理上制造一個在運行時完全不受環(huán)境其余部分影響的設(shè)備，但又是物理上可控和可測量的。隨著向系統(tǒng)中添加更多的量子位，干擾變得越來越難以阻擋。為了最大限度降低外界對量子計算的影響，幾乎每一種量子計算方法都試圖在盡可能接近 0 開爾文（-273.15℃）的條件下運行。但隨著量子位的增加，量子計算機需要的空間會增加，那么如何保證工作溫度，這也成為考驗。

量子計算機設(shè)備要在非常冷的溫度下運行，需要控制電子設(shè)備的能力，需要非?？斓膶?dǎo)電性，需要能夠制造這些量子比特，這些都是量子計算機的現(xiàn)狀。在影片中即使人類可以制造上萬臺發(fā)動機推動地球發(fā)展，但量子計算機數(shù)量也十分有限，這也反映了量子計算機的商用的難度。

即使上述的挑戰(zhàn)可以克服，但由于量子計算機要計算海量數(shù)據(jù)，量子計算機外也要有不亞于大型數(shù)據(jù)庫機房的存儲系統(tǒng)來儲存要計算的數(shù)據(jù)。想要實現(xiàn)像電影中集成為一個小手提箱的程度不僅對量子計算提出極高要求，對相應(yīng)的存儲技術(shù)也要求極高。

總而言之，目前量子計算機還在發(fā)展之中，但科幻電影中的想象在一定程度上其實是未來的某種潛在需求。需求定義科研方向，量子計算機未來要能在常溫常壓下工作，能到外太空和水下工作。為了滿足這些需求，量子計算機實用化的技術(shù)路徑或許可以發(fā)展出很多條，不同的路徑滿足不同的環(huán)境需求。

全球量子技術(shù)競賽

當將量子計算的現(xiàn)狀與我們所知的標準數(shù)字計算進行比較時，現(xiàn)在大致處于上個20世紀40年代，或許是50年代。目前的量子計算機還不能做一些有用的事情，還有很長的路要走。業(yè)內(nèi)很多人認為，世界上第一臺可用的量子計算機將在 2027 年到 2028 年的時間范圍內(nèi)上市。

量子技術(shù)這樣的潛力讓世界各國都在相關(guān)研發(fā)項目上投入大量資源。美國、中國、加拿大、日本、歐盟、英國都在加大量子技術(shù)研發(fā)力度，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才。據(jù)波士頓咨詢集團（BCG）報告稱，量子計算未來15至30年市場規(guī)模將達到4500億至8500億美元，3至5年內(nèi)，該市場價值可達50億至100億美元。

2022年10月， incoPat發(fā)布了全球量子計算技術(shù)發(fā)明專利排行榜。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%。美國的科技公司IBM、Google和加拿大量子計算公司D-Wave分別以1323件專利、762件專利、501件專利位列前三。

美國在量子計算方面領(lǐng)先。IBM在2022年11月發(fā)布了433 量子比特處理器，并計劃在2025年推出4158量子比特的處理器。

IBM量子技術(shù)路線圖

中國在量子通信方面領(lǐng)先。除了上文提到的中科院團隊研發(fā)的“九章”，2023年1月28日，安徽省量子計算工程研究中心表示合肥本源量子也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。

MOSS會出現(xiàn)嗎？

在《流浪地球2》中，550W量子計算機在最后具備了自我意識自稱Moss，這其實是圍繞人工智能技術(shù)一直以來的討論。

AI技術(shù)在現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。在《流浪地球2》中，AI技術(shù)讓已故主演吳孟達再次出現(xiàn)，更是修復(fù)了聲帶受損的李雪健的聲音。在2022年8月發(fā)布的預(yù)告片中，李雪健的原聲十分模糊。而在《流浪地球 2》電影中，通過 AI 修復(fù)的聲音咬字更清晰了一些。

近期大火的ChatGPT或許更符合科幻電影對人工智能的幻想。不過其本質(zhì)仍是在學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù)后的“活學(xué)活用”而非主動創(chuàng)造。因此電影中將算力超強的量子計算機當作了人工智能實現(xiàn)自我意識的鑰匙。

以當下量子計算發(fā)展來看，量子計算機更多的是用于專用計算，現(xiàn)階段或者很長一段時間，量子計算機只在解決一些特定數(shù)學(xué)問題有巨大優(yōu)勢，例如質(zhì)數(shù)分解， 離散對數(shù)……可以說現(xiàn)在量子計算機還處于“算盤”的階段，對于需要極大數(shù)據(jù)量才能訓(xùn)練出來的人工智能來說，在量子計算機上出現(xiàn)有自我意識還很遙遠

在AI+量子計算開啟新時代之前，首先還是要期待量子計算機的大規(guī)模通用。不過，人類世界出現(xiàn)真正生存危機和AI量子計算機被應(yīng)用，哪個會先到來呢？

作者：六千