《流浪地球2》的现实倒影（一）：从量子计算机到MOSS

    编者按：跟大家一样，《流浪地球2》的上映让我们感到无比兴奋。作为科技领域的内容创作者，在《流浪地球2》中不仅看到了中国科幻电影与电影工业的崛起，更看到了大量现实中真实存在的科技脉络。
    由于这部电影在科技方面的基本功非常扎实，覆盖的领域足够广泛，加之其设定在21世纪40年代开始的“近未来”，距离我们其实并不算远，所以很多网友戏称，《流浪地球2》不是科幻片，而是一部科技发展预告片。
    其实很多现实中值得被见证的科技进步，值得了解的科技进程，都躲在聚光灯之外，很难被大家看到。那不如我们就蹭一点电影的热度，把其中涉及的一些支脉细致梳理出来，聊聊电影里的科技距离我们究竟有多远，它们在现实中发展怎样。这既可以作为对全球科技局势的观察，也可以成为对科技自立自强的一种审视。
    让我们以技术为拼图，完成这幅《流浪地球2》的现实倒影。
    
    MOSS这条线，是《流浪地球2》中最具深度的一层故事。看似无所不能的MOSS真身是什么呢？从表现上来看，神秘的MOSS是已经觉醒的人工智能，或者成功完成上传的数字生命。他既能帮助人类建造行星发动机，又能连接全球摄像头暗中观察一切，独立谋划布局。
    但MOSS的真身，至少是人类眼中的真身在电影中很早就交代了——550系列量子计算机。
    在电影中，550量子计算机先后出现了三代，都是手提箱大小的计算设备，但其功能可谓神乎其神，既能上传数字生命，又能完成自动化建设，还负责宇航员的面试工作，而这似乎也很符合我们心里对量子计算机的那种隐隐期待。
    这些年来，从虚假广告和过渡营销里“遇事不决量子力学”，某种程度上妖魔化了量子计算。再到中美芯片纷争骤起，大家开始关注量子计算机能不能弯道超车。在电影院遇见MOSS的时候，大改量子计算机这个概念，已经能让我们心头一动。
    那么问题来了，在现实中我们还要等多久才能用上量子计算机？它又会不会像电影里的MOSS一样，走得太远了，直接变成人类的巨大隐患？
    随着量子计算机的发展趋势愈发明晰，这些问题其实是大体能找到答案的
    计算极限与量子霸权
    有一点首先需要肯定，从目前全球计算发展格局上看，想要在21世纪中叶完成行星发动机这样庞大的计算任务，几乎必须指望量子计算，这一点《流浪地球2》中是非常合理的。
    信息革命之后，计算逐渐成为了人类最重要的能力之一，乃至上升为国际博弈与国家战略的核心部分。但在今天这个周期，各界对计算这件事已经达成了一个共识——硅电芯片的极限正在逼近。人类需要计算的东西在无限增长，但算力很快要跟不上了。
    这个“危机”的首要表现，就是摩尔定律正在逐渐失效。根据摩尔定律，芯片单位面积上的晶体管的数量每18个月将翻倍，实现的算力也随之翻倍。但芯片的制程工艺和材料工艺是有限度的，摩尔定律正在明显放缓，甚至出现了停滞。
    如果我们放弃硅电芯片，下一个计算主体是什么呢？这个话题有眼花缭乱的解答，但今天看起来最具可能性的，就是量子计算。
    
    所谓量子计算，是指利用量子纠偏原理完成计算任务的新处理方法。这一概念在上世纪80年代就已经被提出。数十年来，产生过离子阱、核磁共振、光子偏振等等构建量子计算机的方案。2016年开始，全球各国对量子计算机的研究与布局明显加速，中、美、欧、俄等国陆续启动了量子计算的国家支持计划。而真正让量子计算机跃入大众视野的标志性事件，发生在2019年。
    很多人都把2019年称为量子计算机元年，或者量子计算应用化元年。原因在于，这一年谷歌相关团队宣布成功用一台53量子比特的量子计算机Sycamore，成功实现了量子霸权，或者称之为量子优越。也就是说，谷歌认为自己这台量子计算机，已经可以做到经典计算无论如何也做不到的事。根据此后相关团队在《自然》杂志发表的论文，这台量子计算机只有200秒就完成了超算需要1000年才完成的特定计算目标。
    
    尽管后来产学各界都对谷歌提出的“量子霸权已来”提出了大量质疑，但不可否认的是，这确实在量子计算机的发展历史上成为了里程碑事件，也极大加速了全球对量子计算机的关注和推动。
    在同一年，IBM宣布其商用量子计算机已经可以完成交付部署。谷歌和IBM在量子计算机领域的你追我赶，相爱相杀，也是从此时开始的。2022年，IBM放出了新的大招，其宣布造出了全球最大的量子计算机，拥有433个量子比特，性能不仅秒杀前一代产品，更是远远超过谷歌的量子计算机。
    或许可以说，从2019年到今天，大型量子计算机经历了一段高速发展期。全球各国的顶尖科技公司与高校、研究机构纷纷布局，拿出了一系列成果。“量子霸权”也从究竟能否实现的谜团，变成了基本可信的各界共识。
    在此期间，中国量子计算也经历了高速发展。量子计算机“九章”、“祖冲之号”先后问世。其中2021年5月，中国科技大学开发的66量子比特的“祖冲之号”也明确宣布验证了量子霸权的存在。可以说，中国今天在量子通信、量子计算机都有布局，整体规模和深度仅次于美国，在量子卫星、量子通信等部分领域甚至实现了全球领先。
    
    在这个过程中，中国科技企业也没闲着。华为、阿里、百度等企业先后从不同角度发力量子计算，在量子编程模拟、量子机器学习、量子云、量子芯片等领域进行了多样化的布局。
    目前阶段，全球大概有超过250家公司明确发展了量子计算项目，有超过20个国家提出了量子计算的支持政策。
    但在基本盘的欣欣向荣中，我们也必须正视量子计算机发展的起伏。目前虽然有国际竞争和国家政策的整体加持，但量子计算是在漫长时间中缺乏商业回馈可能的。因此在2019年的整体热度下降之后，全球科技巨头对量子计算的商业化追求正在冷却，更多是为科研产业与国家项目提供支持。一些新兴的量子计算机项目，也主要是面向科研机构和高校提供设备支持。
    同时，在芯片和计算产业兴旺，国家鼓励科技自立自强的大背景下，有不少难以描述，朦朦胧胧的量子计算机和量子芯片项目快速上马，它们的未来也处在未知数当中。
    漫长的量子计算之路
    如此说来，似乎量子计算机的前景十分光明。那实现像电影里那样的量子计算设备，是不是稍稍有点盼头了？很不幸，答案并非如此。
    无论是量子霸权，还是相关的量子模拟、量子机器学习，在今天意义基本局限于验证量子计算的可行性。也就是说，我们还处在验证行星发动机能不能推动月球的阶段。而且现实不像电影，从可行性验证再到试验机、量产机，再到走向商业化，期间需要经历漫长时间与无数难以想象的挑战。
    从今天的量子计算机，到《流浪地球2》中的550系列，在今天至少还有三道迈不过去的门槛。
    首先是小型化。
    在电影里，即使是最开始出现在月球上的550A，也做到了小型化。但在目前阶段，人类还没有找到能够让具有真正计算意义的量子计算机，完成小型化方式与方法。量子计算机的计算实现方法，需要在激光、超导等环境下完成，并且设备中需要集成大量的线缆与控制器。还有一点，量子纠偏需要在绝对零度环境中运行，因此制冷相关设备也要占据庞大的空间和质量，这些基本问题，导致量子计算机普遍需要重达几十吨。并且可搬运性很差，运维管理成本极高。当然，面向这些问题也出现了一系列解决方案。比如IBM就提出了模块化的量子计算机建设思路，以及用柔性线缆来降低量子计算机的建设难度。
    
    但不管怎么说，短期之内想要抱着量子计算机跑，基本是不可能实现的。也许有朋友会说，不对啊，我见过小型化的量子计算机。确实，一些公司推出了可携带的量子计算设备。但那并不是严格意义上的量子计算机，而是面向教学的量子计算模拟设备。量子计算机小型化，目前阶段还远没有提上日程。
    还有一个问题，如果像电影里那样，以一个手提箱大小的设备，处理行星发动机建造这样等级的运算，那么可能不仅是计算的小型化，还需要考虑数据存在哪的问题。毕竟在没有互联网的条件下，海量的数据会导致巨大体积和重量的硬盘。这可能就要提到DNA存储这个发展方向，不过那就是另一个故事了。
    其次是对绝对低温的依赖。
    上面说了，量子计算机有着严重的环境限制。这因为量子纠缠非常容易受到电磁辐射、温度、震动的影响，随着量子比特数的增加，这种影响会愈发强烈。为了最大限度降低量子计算当中的噪音，目前普遍采取在0开尔文（－273．15℃）的条件下运行量子计算机的方案。
    但这一方面会导致量子计算机的成本增加，同时更降低了其进行商业应用的可能。业内人士普遍认为，对绝对低温的依赖是目前量子计算机走向应用面临的最复杂问题。
    再有就是通用性缺失。
    我们知道，计算机有专用计算机与通用计算机的区别。而目前所谓的量子霸权验证，完全都是建立在特定任务的专用计算基础上的。也就是说，在一些特定任务上量子计算机已经展现了优势，但在绝大多数任务上，最先进的量子计算机性能也比不上普通电脑。
    
    这个问题背后，其实是量子计算机发展阶段的问题。验证量子先进性，其实仅仅是量子计算机的开端。第二阶段，我们需要在漫长的时间中逐步发展专用量子计算，最终在某个奇点开始向通用量子计算演进。至少在未来10年，仅限于学界研究的专用量子计算机才是主流。
    乐观估计，到2030年之后，可商用、可编程的量子计算机才有可能出现。而那也仅仅是漫长征程的开端，距离量子计算机走入千行百业，完成那些人类迫切想要完成的超大型计算任务，后面还有更长的路要走。
    总体而言，量子计算机在近几年已经来到高速发展期。但前沿科技的发展速率，必定远远低于大众的期待。假如太阳危机21世纪40年代就要来临，恐怕量子计算机是赶不上参战了。更加可能的情况是，量子计算机需要与脑机接口、DNA存储、通用人工智能一道，成为下一个科技周期的核心。
    人工智能等了70年，才在深度学习上见到一点端倪。科技进步总比我们的预期更加漫长。好在地球已经存在了46亿年，从概率学上来看，还不急着把地球推走。
    “小苔藓”长在何处？
    最后，让我们来回答几个大家看完《流浪地球2》，对幕后大佬MOSS与量子计算机可能产生的问题吧。
    问题一，量子计算会产生威胁人类的人工智能吗？
    这里有一个基本问题，就是计算并不产生智能。就像一个人算盘打的飞快，与他的人生智慧并不划上等号。按照现实中的技术发展逻辑，智能来自于算法，并通过操作系统、操作界面与人进行交互。而算力仅仅是完成算法训练、部署、迭代的资源支撑。在一台计算设备中，计算、存储、网络、智能、安全被称为五个核心要素，但它们是分层解耦，相互分离的。因此并没有算力升级，一定会产生更强智能的对应关系。
    问题二，一台计算机能做这么多事吗？
    我们会发现，电影里的550系列实在太全能了。上传数字生命，孕育人工智能，指挥行星发动机建设，执行流浪地球计划，可以说无一不通。但在现实中，计算至少在今天是向着异构化发展的。通用计算、超算、AI计算、物联网计算分别发展，呈现出多样性的发展局面，再通过软件进行资源的池化，组成能力集群。这样的操作更加符合低成本和安全可控的构想，把所有算力堆在一台机器上，成本很高且会进行重复建设，又将带来很多维护、维修和安全方面的问题。另一方面，现实中也不太可能把各种接口和交互形式都设计在一台计算设备上。
    
    问题三，是不是必须要量子计算才能够实现人工智能？
    确实目前已经有用人工智能来模拟量子纠缠，或者在量子计算机上尝试提升机器学习算法效率的探索，但整体来看两项技术并没有必然需要结合的关系。
    AI技术确实需要源源不断的庞大算力，但在全球依旧可以联网的今天，是可以用云计算来集成算力，供给AI训练、部署所需，并没有出现AI算力枯竭，需要量子计算来拯救的问题。而量子霸权实现之后，是否一定能够推动AI发展，在目前更多是未知数。我们都期待量子与智能的美好（或者可怕）邂逅，但现在讨论这些还为时尚早。
    量子计算机的发展，确实向我们展示了一个类似《流浪地球2》中的梦境：一台小小的设备，算天算地，无所不能。但现在这个梦还非常朦胧，需要徐徐图之。
    眼前解决算力不足的难题，还是需要把已有算力联合起来，组成共享、共用、共治的算力网络。这是云计算的逻辑出发点，也是东数西算所谋划的未来。
    MOSS尚且遥远，还是需要人类联合起来解决问题——这或许也符合《流浪地球2》的精神内核。