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還記得《流浪地球》第一部中的MOSS嗎？這已經(jīng)是一臺(tái)有自我意識(shí)的機(jī)器，在眼看地球無望的情況下，選擇駕駛空間站逃離，因此劉培強(qiáng)與其發(fā)生了激烈爭(zhēng)執(zhí)。到了《流浪地球》第二部，MOSS的神秘面紗終于被揭開，它實(shí)際上是一臺(tái)智能量子計(jì)算機(jī)550W。
作為貫穿《流浪地球2》全片的“黑科技”，量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全球復(fù)雜計(jì)算資源的融合與調(diào)度，滿足上萬臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同運(yùn)作，支持“數(shù)字生命計(jì)劃”所需的巨量算力，甚至發(fā)展出了自主意識(shí)和價(jià)值觀。在影片中，量子計(jì)算機(jī)幾乎是一臺(tái)全知全能的機(jī)器。
除了在《流浪地球2》亮相外，量子計(jì)算機(jī)也出現(xiàn)在了《時(shí)代》周刊的封面上，在這篇封面文章中[1]，作者Charlie Campbell描述了量子計(jì)算機(jī)將如何改變世界。但這篇文章引發(fā)了業(yè)內(nèi)人士的不滿，量子信息科學(xué)先驅(qū)John Preskill表示，準(zhǔn)確和負(fù)責(zé)任地討論量子科學(xué)和技術(shù)是令人興奮的。令人失望的是，《時(shí)代》發(fā)表了這樣一篇具有誤導(dǎo)性的文章。
誤導(dǎo)性的內(nèi)容是什么？
關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)容，這篇文章大部分是正確的，爭(zhēng)議點(diǎn)主要有兩處：
量子計(jì)算是一項(xiàng)將改變幾乎一切的技術(shù)（a technology that is set to transform pretty much everything），量子計(jì)算機(jī)處理大量數(shù)據(jù)的獨(dú)特能力已經(jīng)（already）開始優(yōu)化全球數(shù)千輛油輪的路線，幫助決定哪些ICU患者需要最緊急的護(hù)理，并在原子水平上模擬化學(xué)過程以更好地設(shè)計(jì)新材料……
量子的行業(yè)用途是無限的（boundless）。但在后面的內(nèi)容中，作者沒有提到“量子的用途是無限的”的論據(jù)，僅僅以寶馬集團(tuán)為例。寶馬表示，“（量子計(jì)算機(jī)）強(qiáng)大的模擬碰撞測(cè)試可以在整個(gè)過程中節(jié)省長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的時(shí)間。量子計(jì)算還將幫助我們?cè)谠O(shè)計(jì)、最大內(nèi)部空間和最佳空氣動(dòng)力學(xué)之間找到新的最佳狀態(tài)。”
這些內(nèi)容中提到的優(yōu)化和模擬問題，的確是量子計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，但作者采用的一些極端用詞everything、already和boundless讓業(yè)內(nèi)人士感到不安，因?yàn)閷⒘孔佑?jì)算機(jī)描述成一種萬能的機(jī)器，不利于該領(lǐng)域的發(fā)展。對(duì)于優(yōu)化、模擬等問題，雖然量子計(jì)算機(jī)有望遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但至少目前還未實(shí)現(xiàn)，不可能是already，更不可能是boundless；而且未來在某些領(lǐng)域中采用經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能仍然更優(yōu)。因此，評(píng)論這篇文章具有誤導(dǎo)性是合理的。
和《流浪地球》什么關(guān)系？
之所以將《時(shí)代》文章和《流浪地球2》聯(lián)系在一起，因?yàn)樗鼈兌枷蛴^眾或讀者傳達(dá)了這樣一種觀點(diǎn)：量子計(jì)算機(jī)是無所不能的。但至少?gòu)漠?dāng)前發(fā)展軌跡來看，這是不可能的。
量子計(jì)算機(jī)不是萬能的，一是沒必要，二是做不到。
你能想象一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在小學(xué)課堂用于四則運(yùn)算嗎？或者在量子計(jì)算機(jī)中運(yùn)行你的Word文檔嗎？這些都沒有必要，目前經(jīng)典量子計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)不太可能會(huì)涉足，因?yàn)樾屎茈y有大的提升。
另一方面，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)也有做不到的事。如下圖所示，在計(jì)算科學(xué)中，所有的計(jì)算問題可以分為可判定問題和不可判定問題[2]。
計(jì)算機(jī)能夠解決的只是可判定類問題，也就是可計(jì)算問題。這其中有三個(gè)重要的大類。一類是P問題，這類問題可使用圖靈機(jī)在多項(xiàng)式復(fù)雜度內(nèi)解決，因此是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)就能夠高效計(jì)算的，比如排序問題。
第二類是NP問題，屬于不確定多項(xiàng)式復(fù)雜度問題，這些問題好驗(yàn)證但未必好求解。P問題包含于NP問題，而量子計(jì)算機(jī)就是要解決那些P以外的計(jì)算問題，比如Shor算法對(duì)應(yīng)的質(zhì)因數(shù)分解。
NP問題中還有一類是NP完全問題，這些問題的計(jì)算復(fù)雜度是指數(shù)增長(zhǎng)的，其中包括非常經(jīng)典的最大割問題、旅行商問題等。量子計(jì)算目前來看是無法高效地解決這些問題的。
因此，量子計(jì)算很可能并不能高效地解決所有問題。
回到《流浪地球2》中，量子計(jì)算機(jī)對(duì)于行星發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)屬于一種優(yōu)化問題，的確在量子計(jì)算機(jī)可解決問題的范疇里，但問題在于，到了影片中的2050年前后，量子計(jì)算機(jī)能不能提供這么大的算力？至于自主意識(shí)，與其說550W是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，不如說是一種超強(qiáng)人工智能。假使未來能實(shí)現(xiàn)這樣強(qiáng)大的機(jī)器，也不是量子計(jì)算機(jī)一人之功。
550W是一臺(tái)什么量子計(jì)算機(jī)？
最后，我們?cè)僬f電影中幾個(gè)有意思的點(diǎn)。但凡對(duì)量子計(jì)算機(jī)有所了解的人，都應(yīng)該知道量子計(jì)算機(jī)有很多種物理實(shí)現(xiàn)方法，超導(dǎo)、光量子、離子阱、中性原子等，那么《流浪地球2》的量子計(jì)算機(jī)是哪一種呢？
有人說是光量子，因?yàn)樵谶@些路線中，光量子是最有可能實(shí)現(xiàn)便攜式量子計(jì)算機(jī)的。也有人說是超導(dǎo)，例如，北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授尹璋琦在知乎寫道，“又看了一遍電影，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)鏡頭，馬兆在研發(fā)智能量子計(jì)算機(jī)550W時(shí)，身后有一臺(tái)巨大的稀釋制冷機(jī)，類似超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。如果接受這樣的設(shè)定，那么電影中的手持設(shè)備就只是一個(gè)終端接口，最終還得靠稀釋制冷機(jī)中的量子計(jì)算硬件來做計(jì)算。”
但實(shí)際上也有別的可能，因?yàn)槭褂孟♂屩评錂C(jī)的不是只有超導(dǎo)，半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)甚至尚未出現(xiàn)的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)，都有可能用到。如果要給導(dǎo)演郭帆建議的話，下一部《流浪地球》可以將其設(shè)定為混合體系的量子計(jì)算機(jī)，例如，將超導(dǎo)的快速門優(yōu)勢(shì)、光的通信優(yōu)勢(shì)和其他體系的優(yōu)勢(shì)都結(jié)合起來。
此外，550W采用了大量人工智能技術(shù)，“智能量子計(jì)算機(jī)”這個(gè)名字足以說明。
除了關(guān)心550W是哪種量子計(jì)算機(jī)外，相信業(yè)內(nèi)人士都看出了《流浪地球2》中關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的最大漏洞550W的量子體積設(shè)定為“8192”。如果說這里的量子體積跟現(xiàn)實(shí)中是一個(gè)意思的話，那么8192在電影上映前（2022年）就實(shí)現(xiàn)了。
2022年10月，量子計(jì)算公司Quantinuum就達(dá)到了這一目標(biāo)，并且是在20量子比特的離子阱量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上對(duì)于8192量子體積，13個(gè)量子比特就足夠了，20個(gè)量子比特的理論量子體積最高值可超過100萬。因此，如果量子計(jì)算機(jī)550W的量子體積只有8192，是不可能成為大BOSS的。
無論如何，《流浪地球2》將量子計(jì)算機(jī)的社會(huì)關(guān)注提高到了一個(gè)新的高度，但與其他前沿技術(shù)類似，關(guān)注度越高，誤解就可能越多。我們的這篇文章主要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)，實(shí)用量子計(jì)算機(jī)距離還很遠(yuǎn)，量子計(jì)算機(jī)也不是萬能的，知道這兩點(diǎn)，文章的目的就達(dá)到了。
參考鏈接：
[1]https://time.com/6249784/quantum-computing-revolution/
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/-CxGXfciTHSfi2PLOGmRaA
