《流浪地球2》的大boss量子计算能拯救人类？

    近日国产科幻大片《流浪地球2》热播，不同于那些未来感超强的科幻电影，《流浪地球2》中很多元素都是现阶段已有技术的“进阶版”，这种似曾相识反而让这部发生在这个百年的故事更具现实感。
    在这部电影中，最吸睛的科幻元素一定是围绕量子计算机550系列以及迭代后具备自我意识的人工智能MOSS（550W）。量子计算是当前最为火热的研究领域之一，550系列设定未免有些科幻，但是这符合人类对量子计算机的期待——开启下一个算力时代。2019年9月，谷歌宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木（sycamore）”，在对一个53比特20个cycle的电路采样一百万次的问题上，量子计算机上需要200秒，而用超级计算机summit进行同样的任务下则需要一万年。2020年12月，中国科技大学潘建伟教授团队研发的“九章”光量子计算机对在经典数学算法高斯玻色取样的计算中用200秒解决了，超级计算机“富岳”要6亿年解决的问题。
    “量子霸权”的概念让量子计算成为全球科技竞争的下一个热点。量子计算机的超强算力可以在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域，提供比传统计算机更强的算力支持。
    01 一眼万年的量子计算机
    在电影中，550系列的量子计算机被用于处理“流浪地球”计划中最复杂的数据运算，包括抵御对太空电梯的攻击；调度全球计算资源以辅助行星发动机的建设；实现“数字生命”甚至于发展出自主意识。
    近乎“神化”的量子计算机，距离普及还有多久？
    要回答这个问题首先要了解量子计算机是如何实现超强算力的。经典计算机一次只能处于两种状态之一，但量子计算机可以同时处于多种状态的叠加状态。这就是量子计算机的优势所在：它们可以同时探索许多不同的可能性，而不是像经典计算机那样必须逐一尝试。
    在经典计算中，比特是信息的基本单位。它可以表示 0 或 1。在量子计算中量子位是基本单位，一个量子位不限于只代表一个 0 或一个 1。相反，它可以同时代表 0 和 1 的组合，这称为叠加。这一个量子位可以同时处于 0 和 1 的概率范围内，当测量量子比特时，它只会根据这些概率输出 0 或 1。
    一个量子位能表达三种状态，意味着量子计算机内一次计算的数据量是 2＾N ，N 是量子位个数。所以随着量子位数量的增加，量子计算处理数据量可以呈现指数增长。借由量子计算机，现有的加密算法将不再安全。通过破解，可以得到任何银行账户的密码。从理论上讲，具有约 1，000，000 个量子比特的量子计算机可以在几个月内破解 AES 256 等加密算法。因此，美国国家标准与技术研究院针对经典计算机提出并批准了 4 项抗量子标准。在电影中550C就用来解决了开场无人机被黑的“叛乱”。
    在保持超高算力超高的条件下，量子计算机的体积现要小于现在的超级计算机。谷歌实验室53 个量子位的计算机，占地并不大，可能就一个厨房大小。但目前完美的量子计算机仍是一个理想化的概念，距离它被广泛使用仍有许多挑战。
    02 量子计算机的重重考验
    现阶段，尽管量子计算的概念如此火热，现实却是量子计算尚未实现真正的应用。
    量子计算的结果不能保证完全准确。量子计算中量子位需要相互纠缠，系统之外没有其他东西。当系统被观察时，它会失去其量子态并坍缩成最终答案，有点像薛定谔的猫。如果量子比特与外界相互作用，模型就会受到影响。这意味着量子计算的结果准确性需要检测。为了核验“九章”算得“准不准”， 潘建伟团队用超算同步验证，在验证中10个、20个光子的时候，结果都能对得上，到40个光子的时候超算就比较吃力了，“九章”一直算到了76个光子。
    量子计算机的工作条件十分严格。量子比特可能会受到轻微电磁辐射的影响，包括宇宙射线、温度或机械振动。这些相互作用导致量子比特失去它们的量子特性，这可能导致计算错误。最大的挑战是如何在物理上制造一个在运行时完全不受环境其余部分影响的设备，但又是物理上可控和可测量的。随着向系统中添加更多的量子位，干扰变得越来越难以阻挡。为了最大限度降低外界对量子计算的影响，几乎每一种量子计算方法都试图在尽可能接近 0 开尔文（－273．15℃）的条件下运行。但随着量子位的增加，量子计算机需要的空间会增加，那么如何保证工作温度，这也成为考验。
    量子计算机设备要在非常冷的温度下运行，需要控制电子设备的能力，需要非常快的导电性，需要能够制造这些量子比特，这些都是量子计算机的现状。在影片中即使人类可以制造上万台发动机推动地球发展，但量子计算机数量也十分有限，这也反映了量子计算机的商用的难度。
    即使上述的挑战可以克服，但由于量子计算机要计算海量数据，量子计算机外也要有不亚于大型数据库机房的存储系统来储存要计算的数据。想要实现像电影中集成为一个小手提箱的程度不仅对量子计算提出极高要求，对相应的存储技术也要求极高。
    总而言之，目前量子计算机还在发展之中，但科幻电影中的想象在一定程度上其实是未来的某种潜在需求。需求定义科研方向，量子计算机未来要能在常温常压下工作，能到外太空和水下工作。为了满足这些需求，量子计算机实用化的技术路径或许可以发展出很多条，不同的路径满足不同的环境需求。
    03 全球量子技术竞赛
    当将量子计算的现状与我们所知的标准数字计算进行比较时，现在大致处于上个20世纪40年代，或许是50年代。目前的量子计算机还不能做一些有用的事情，还有很长的路要走。业内很多人认为，世界上第一台可用的量子计算机将在 2027 年到 2028 年的时间范围内上市。
    量子技术这样的潜力让世界各国都在相关研发项目上投入大量资源。美国、中国、加拿大、日本、欧盟、英国都在加大量子技术研发力度，培养相关专业人才。据波士顿咨询集团（BCG）报告称，量子计算未来15至30年市场规模将达到4500亿至8500亿美元，3至5年内，该市场价值可达50亿至100亿美元。
    2022年10月， incoPat发布了全球量子计算技术发明专利排行榜。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％。美国的科技公司IBM、Google和加拿大量子计算公司D－Wave分别以1323件专利、762件专利、501件专利位列前三。
    美国在量子计算方面领先。IBM在2022年11月发布了433 量子比特处理器，并计划在2025年推出4158量子比特的处理器。
    
    IBM量子技术路线图
    中国在量子通信方面领先。除了上文提到的中科院团队研发的“九章”，2023年1月28日，安徽省量子计算工程研究中心表示合肥本源量子也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。
    04 MOSS会出现吗？
    在《流浪地球2》中，550W量子计算机在最后具备了自我意识自称Moss，这其实是围绕人工智能技术一直以来的讨论。
    AI技术在现阶段已经被广泛应用。在《流浪地球2》中，AI技术让已故主演吴孟达再次出现，更是修复了声带受损的李雪健的声音。在2022年8月发布的预告片中，李雪健的原声十分模糊。而在《流浪地球 2》电影中，通过 AI 修复的声音咬字更清晰了一些。
    近期大火的ChatGPT或许更符合科幻电影对人工智能的幻想。不过其本质仍是在学习大量数据后的“活学活用”而非主动创造。因此电影中将算力超强的量子计算机当作了人工智能实现自我意识的钥匙。
    以当下量子计算发展来看，量子计算机更多的是用于专用计算，现阶段或者很长一段时间，量子计算机只在解决一些特定数学问题有巨大优势，例如质数分解， 离散对数……可以说现在量子计算机还处于“算盘”的阶段，对于需要极大数据量才能训练出来的人工智能来说，在量子计算机上出现有自我意识还很遥远
    在AI＋量子计算开启新时代之前，首先还是要期待量子计算机的大规模通用。不过，人类世界出现真正生存危机和AI量子计算机被应用，哪个会先到来呢？