从《流浪地球》中的MOSS，浅析量子计算机

随着春节假期的结束，春节档电影市场的票房也创下了记录，不知道各位有没有利用春节假期去看近期十分热门的电影《流浪地球 2》呢？如果您去看过，那么各位一定会对其中人类为解决太阳“氦闪”而建造的550系列量子计算机有着深刻的印象。它帮助人类预测太阳“氦闪”，组织自动化机器高速建造行星发动机，当升级为最新的550W型（MOSS）时，它已经成为了人类有史以来算力最高的硬件，甚至还迭代出了自我意识。可以说，在《流浪地球2》中，最精彩的暗线就是这台贯穿剧情的550系列量子计算机，其戏份之多，甚至足以媲美电影中的主角，在几乎所有的关键场所、情节中都有出场，在电影中更是将其称为流浪地球计划得以成功实施的关键。

《流浪地球2》中的550W（MOSS）量子计算机

如果各位细心看了电影最后的彩蛋，就会发现，550W量子计算机是人类一次次危机的幕后主使，它一次次地制造危机，到底是为了激发人类的危机意识，迫使全人类团结一致应对危机，延续人类文明；还是真的只是为了毁灭人类，这里不做讨论，但看完电影之后，相信各位都会有一个疑问：量子计算机真的如电影中描述的那般强大吗？现实中的量子计算机到底又发展到什么程度了呢？

自20世纪人类发明传统计算机以来，基本上都是遵循冯·诺依曼机结构。这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，需要 CPU 从存储器取出指令和数据进行相应的计算。而随着现代生产力的飞速发展，半导体产业经历了数次飞跃，计算机性能指数级增长，且更小更强。但时至今日，摩尔定律逐渐接近极限，且传统计算机已接近现代物理的极限——元器件接近原子尺寸，传统计算机的天花板似乎已经隐约可见，人类急需一种全新的计算机结构，来突破计算机发展的瓶颈，而量子领域似乎就是下一代革命性计算机的摇篮。

量子（quantum）是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。总之，可以粗略地理解为，是尺度非常非常小的物质，比如原子、电子、中子、甚至于夸克都是量子的范畴。而在量子领域上，传统物理学不再适用，所以传统计算机无法正常工作，但是在量子尺度下，物质会有着一些宏观物体所没有的特性，有些甚至十分匪夷所思，利用这些全新的规律，我们就能制造全新的，革命性的计算设备。

众所周知，我们传统的计算机都是遵循二进制运行，其状态只有 0 与 1，而量子计算机则不同，简略来说它有着 0、1、2 三个状态。有些熟悉计算机的朋友会说：这不就是前苏联搞过的三进制计算机吗？其实不然，三进制和二进制本质相同，只是逢三进一，并不是三种状态。而在量子计算机中，它的0、1、2分别表示的是：关、开、不确定（叠加态）。“2”这种状态，表示的不是开或关的任何一种状态，而是 n 个状态的叠加。各位是不是有些迷惑？状态为何还能叠加呢？任何一种电路，它处在的状态应该不是开就是关吧，为何能不确定？这就需要各位读者忘记自己所处的宏观世界中的物理，在量子的微观世界中，一切都仿佛是魔法一般捉摸不定。         

在上世纪著名的思想实验“薛定谔的猫”中，量子力学的先驱，薛定谔先生给出了一个相对好理解的解释：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。但是，不可能存在既死又活的猫，则必须在打开容器后才知道结果。不知各位理解没有，如果实在理解不了，那就可以简单想象成，在量子世界中，如果不进行观测，那么事物的状态就是不确定的（即有多种状态），只有当观察了以后，它才能确认为一种情况。         

我们说回到量子计算机，在量子计算机的运行过程中，“2”的存在使得量子计算机可以在同一时间处于 n 种状态中。这种特性，使得量子计算机有着一种超凡的能力：我们知道，传统比特在表示16种可能的组合时，你只能选择其中1种，而在处于叠加态的量子比特中，你可认为它同时处于这16种中的所有状态！这是什么意思呢？举个例子，一个内存仅有n位比特的简单计算机模型，它有 2ⁿ种状态，n=2时，即4种，如果假设计算速度是每秒输出一种状态，全部输出完成需要4秒；而对于量子计算机而言，2个量子比特都可处于叠加态，也就是能同时工作在上述4种状态中，可以同时得出每种状态的结果，就像一个人可以同时做4种事情，所以只需要1秒钟就能全部输出完成，即上述的1台量子计算机=4台传统计算机并行工作！这还只是2个量子比特的能力，如果是8个呢，那就是256倍！16个呢？随着比特数的增加，量子计算机与传统计算机之间的性能差距是呈指数级增长。至于在电影中出现的550W的8192个量子比特，也就是能同时处理2的8192次方种状态，是一个以1开头的2500位的数字，这个数字有多离谱呢？我只能告诉各位，我们这个地球上所有的沙子的数量，是一个以1开头的19位的数字…… 

对于550系列量子计算机，它几乎可以被用在任何需要它的场景，也就是说，它是一台通用量子计算机，然而以目前的发展来看，我们距离一台通用的量子计算机的距离还十分遥远。比如近几个月IBM推出的量子计算机 Osprey，其量子比特数为433个，但是它只能进行一些特定领域的计算，一些需要大量并行计算的场景，比如：在全球航运网络中为数百艘油轮挑选理想航线。而在其他的领域之上，其算力很可能不如各位手上的手机。不仅如此，目前的量子芯片还无法在常温下运行，需要使用大量的液氦，将其降温道-273度左右，发生低温超导才可以使用，一丁点的扰动，就会让计算结果大相径庭。

尽管目前的量子计算机发展阻碍重重，但还是有大量科技机构看到了这种全新计算机的未来前景，中科大教授郭国平就表示：“3-5年内，量子计算有望发挥实际作用。”而我国也确实在积极探索量子芯片、量子计算机大规模量产的可能性。今年刚刚开始，1月31日在安徽合肥，本源量子就已经开始紧锣密鼓地制造我国最新的量子计算机“悟空”，作为我国首条量子芯片生产线，有着里程碑式的意义，目前，本源量子已成功交付一台 24 比特超导量子计算机，使我国成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。据悉，到2025年，本源量子将突破 1000 位量子比特，达到 1024 位量子比特，并将运用量子计算尝试在不同行业领域解决对应的问题，拓展量子计算机的适用范围，研制出行业领域的专用量子计算机，这将是量子计算机走向通用量子计算机的第一步。         

总结来说，我们与电影中的量子计算机距离，可以借用某个网友的一个比喻：“大概等同于钻木取火到 i9 处理器的差别”，除非出现新的科学大爆炸，否则我们这一代人是没有可能见到的。         

量子计算目前是各大国科技竞争的前沿，也是未来一种十分具有可行性的新型计算机形态，它的出现和持续研发，是打破摩尔定律的又一道曙光。对于这种新兴技术来说，各个国家还基本上处于同一起跑线之上，也就是说，谁能在该领域领跑，谁就有很大的可能领跑、甚至垄断未来的计算算力。虽然，竞争的结果可能是我们这一代人来不及知道的，但是，不积跬步无以至千里，让我们拭目以待。