《流浪地球2》MOSS出圈，现实中的量子计算机长啥样？

Posted 2023-02-04 科技云报道

科技云报道原创。

春节档科幻电影《流浪地球2》上映后，影片中被誉为“全场最有价值道具”的智能量子计算机MOSS（代号550W）火了！

如果你看完了片尾彩蛋，会发现MOSS或许是整个流浪地球系列电影中的最大反派，从发动太空电梯袭击到制造月球危机，都是MOSS的手笔。

那么，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离MOSS还有多远？

现实中的量子计算机

先让我们来看看世界上著名的几台量子计算机的尊容。下图分别是来自量子计算机界的“扛把子”——IBM的Q系统。

尽管在电影《流浪地球2》中，MOSS量子计算机只有手提箱大小、可单人携带，但现实中的量子计算机看起来更像一个形状复杂的吊灯，且必须在严苛的环境中运行。

为了正常工作，量子芯片需要冷却到0.015开尔文——比绝对零度高一点点，比外太空还冷，而大多数材料在如此剧烈的冷却下都会收缩或变脆并断裂。

那么，量子计算机到底是什么？和传统计算机有什么区别呢？

所谓量子计算机，是指利用原子、电子等微观物质遵循的物理学规律——“量子力学”的性质去实现计算的计算机，以实现远超现有计算机的计算速度。

不同于传统计算机依靠二进制“比特”（0和1）来处理信息，支撑量子计算的“量子比特”是微小的亚原子粒子，可以同时存在于某种比例的两种状态，就像一枚硬币在半空中旋转，遵循三进制（0、1、2）的计算方法。

其中，0和1是确定状态，2在量子力学中一般被称为叠加态，是n个状态的叠加。

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。

举个例子，假设存在一台有四个比特的传统计算机，这台计算机每一秒只能得到一个状态，也就是0000或0101，那么想要获得所有状态就需要16秒。

但是，有一台四个量子比特的量子计算机，它可以同时计算从0000到1111的所有排列组合，这意味着量子计算机只需要1秒钟就可以输出16种状态，相当于16台传统计算机同时运行的效率。

这种从二元处理到多元处理的飞跃，成倍地提高了计算能力。

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的，所以实际的量子计算机速度可以达到传统计算机望尘莫及的高度。

中国科学院院长白春礼院士曾表示：使用亿亿次的天河二号超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组，所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组，仅需0.01秒。

因此，量子计算机极大超越经典计算机的超并行计算能力，在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势，是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。

“现实版”MOSS有多远？

在《流浪地球2》中，MOSS的强大在电影中有着多处表现。

比如同时控制全球各地的数万台行星发动机，还有余力进行行星发动机的建设与维护，甚至还可以模拟预测长达70年的数字生命历程。

那么，现实中的量子计算机性能如何？

量子计算机的性能，取决于其内置的量子比特数量，具体的性能指标则是“量子体积”，由IBM所提出的一个专用单位。

电影中的MOSS量子体积为8192，目前IBM新闻中公开的最强量子计算机，量子体积为128，两者相差64倍。

有研究相关领域的网友表示，想要实现片中MOSS的算力，需要8000个以上的完美逻辑量子比特。

那么我们现在的量子计算机最高是多少呢？433量子比特，由IBM制造，距离影片中的MOSS还有20倍以上的差距。

随着量子比特的数量增加，研发难度也会随之飙升，想要达到MOSS的同等算力，我们还有很长很长的路要走。

此外，MOSS量子计算机几乎可以被用在所有需要算力的场景，这意味着MOSS是通用量子计算机。

但在现实的量子计算机研发中，通用量子计算机还是如同空中楼阁般的存在，可望而不可及。

目前，量子计算机本身有着很大的局限性，只有在特殊的运算中才能发挥出远超传统计算机的性能。

而且，想要让量子计算机按照预定的形式运行，也需要技术人员提前进行设置。

以中国科学技术大学等单位联合研制的光量子计算机来说，这台机器是基于线性光学，把量子点当做单光子源来使用，从用途来说只能用来做玻色取样，无法像经典计算机那样实现通用计算。

因此，现实与电影中的MOSS量子计算机的距离，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。

量子时代或将来临

尽管电影中的MOSS量子计算机还属于科幻的范围，但无须悲观。在过去几年里，量子已经从一个注脚变成了全球国家战略议程的首位。

迄今为止，已有17个国家制定了国家量子战略，还有4个国家正在制定这些战略。

根据《量子计算报告（Quantum Computing Report）》，自20世纪80年代中期以来，中国在量子研究方面的投资估计为250亿美元。

顶级量子科学家潘建伟在2021年公布了当时创纪录的56比特量子计算机。

中国2021年3月公布的第十四个五年规划，将掌握量子技术作为政策重点。

作为回应，白宫在（去年）5月公布了一份《国家安全备忘录（National Security Memorandum）》，该备忘录命令所有联邦机构向后量子安全过渡，因为“对经济和国家安全有重大风险”。

作为一项全新的科技竞争，全球有100多家量子计算公司投入了巨大的人力物力进行研制。

日前IPRdaily中文网公布了全球量子计算技术发明专利排行榜（TOP100）榜单，对截至2022年10月18日，在全球公开的量子计算领域发明专利申请数量进行统计排名。

入榜前100名企业主要来自18个国家和地区，美国占比40%，中国占比15%，日本占比11%。

其中来自美国的科技公司IBM以1323件专利位列第一，美国科技公司Google和加拿大量子计算公司D-Wave分别以762件专利、501件专利排名第二位和第三位。

至于中国公司，主要包括本源量子、百度网讯、浪潮、腾讯科技、华为、阿里巴巴、图灵量子、启科量子、量旋科技、国家电网、国仪量子、阿里巴巴达摩院、四川元匠科技、建银国际、永达电子。

目前，本源量子已研发出多台中国量子计算机，并成功交付一台量子计算机给用户使用。

该量子计算机的成功交付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。

随着技术研发的推进，在目前各国的量子计算机计划中，上千比特的量子计算机将在2023—2025年左右推出市场。

据外媒消息，IBM在量子计算软件发展路线图中显示，将于2023年推出数千量子比特，能够稳定运行并且抗噪声的量子处理器，这标志着量子计算机即将实现商业化。

谷歌也同样表示，在2030年之前，将建造可以容纳100万个量子比特的量子计算机。

有了量子计算机的普及，人类就可以在数学和科学领域开辟出迄今仍深不可测的领域，帮助解决诸如气候变化、食品安全、药物研究等现存挑战，计算中心等基础设施也会得到可观的性能提升，随之而来的变革将会彻底颠覆我们的社会。

属于人类的量子时代或许真的要来临了。

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