近日國(guó)產(chǎn)科幻大片《流浪地球2》熱播，不同于那些未來(lái)感超強(qiáng)的科幻電影，《流浪地球2》中很多元素都是現(xiàn)階段已有技術(shù)的“進(jìn)階版”，這種似曾相識(shí)反而讓這部發(fā)生在這個(gè)百年的故事更具現(xiàn)實(shí)感。
在這部電影中，最吸睛的科幻元素一定是圍繞量子計(jì)算機(jī)550系列以及迭代后具備自我意識(shí)的人工智能MOSS（550W）。量子計(jì)算是當(dāng)前最為火熱的研究領(lǐng)域之一，550系列設(shè)定未免有些科幻，但是這符合人類對(duì)量子計(jì)算機(jī)的期待開(kāi)啟下一個(gè)算力時(shí)代。2019年9月，谷歌宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木（sycamore）”，在對(duì)一個(gè)53比特20個(gè)cycle的電路采樣一百萬(wàn)次的問(wèn)題上，量子計(jì)算機(jī)上需要200秒，而用超級(jí)計(jì)算機(jī)summit進(jìn)行同樣的任務(wù)下則需要一萬(wàn)年。2020年12月，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“九章”光量子計(jì)算機(jī)對(duì)在經(jīng)典數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣的計(jì)算中用200秒解決了，超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”要6億年解決的問(wèn)題。
“量子霸權(quán)”的概念讓量子計(jì)算成為全球科技競(jìng)爭(zhēng)的下一個(gè)熱點(diǎn)。量子計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)算力可以在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等領(lǐng)域，提供比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力支持。
01
一眼萬(wàn)年的量子計(jì)算機(jī)
在電影中，550系列的量子計(jì)算機(jī)被用于處理“流浪地球”計(jì)劃中最復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，包括抵御對(duì)太空電梯的攻擊；調(diào)度全球計(jì)算資源以輔助行星發(fā)動(dòng)機(jī)的建設(shè)；實(shí)現(xiàn)“數(shù)字生命”甚至于發(fā)展出自主意識(shí)。
近乎“神化”的量子計(jì)算機(jī)，距離普及還有多久？
要回答這個(gè)問(wèn)題首先要了解量子計(jì)算機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)算力的。經(jīng)典計(jì)算機(jī)一次只能處于兩種狀態(tài)之一，但量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處于多種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。這就是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在：它們可以同時(shí)探索許多不同的可能性，而不是像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣必須逐一嘗試。
在經(jīng)典計(jì)算中，比特是信息的基本單位。它可以表示 0 或 1。在量子計(jì)算中量子位是基本單位，一個(gè)量子位不限于只代表一個(gè) 0 或一個(gè) 1。相反，它可以同時(shí)代表 0 和 1 的組合，這稱為疊加。這一個(gè)量子位可以同時(shí)處于 0 和 1 的概率范圍內(nèi)，當(dāng)測(cè)量量子比特時(shí)，它只會(huì)根據(jù)這些概率輸出 0 或 1。
一個(gè)量子位能表達(dá)三種狀態(tài)，意味著量子計(jì)算機(jī)內(nèi)一次計(jì)算的數(shù)據(jù)量是 2^N ，N 是量子位個(gè)數(shù)。所以隨著量子位數(shù)量的增加，量子計(jì)算處理數(shù)據(jù)量可以呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。借由量子計(jì)算機(jī)，現(xiàn)有的加密算法將不再安全。通過(guò)破解，可以得到任何銀行賬戶的密碼。從理論上講，具有約 1,000,000 個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以在幾個(gè)月內(nèi)破解 AES 256 等加密算法。因此，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院針對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)提出并批準(zhǔn)了 4 項(xiàng)抗量子標(biāo)準(zhǔn)。在電影中550C就用來(lái)解決了開(kāi)場(chǎng)無(wú)人機(jī)被黑的“叛亂”。
在保持超高算力超高的條件下，量子計(jì)算機(jī)的體積現(xiàn)要小于現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)。谷歌實(shí)驗(yàn)室53 個(gè)量子位的計(jì)算機(jī)，占地并不大，可能就一個(gè)廚房大校但目前完美的量子計(jì)算機(jī)仍是一個(gè)理想化的概念，距離它被廣泛使用仍有許多挑戰(zhàn)。
02
量子計(jì)算機(jī)的重重考驗(yàn)
現(xiàn)階段，盡管量子計(jì)算的概念如此火熱，現(xiàn)實(shí)卻是量子計(jì)算尚未實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用。
量子計(jì)算的結(jié)果不能保證完全準(zhǔn)確。量子計(jì)算中量子位需要相互糾纏，系統(tǒng)之外沒(méi)有其他東西。當(dāng)系統(tǒng)被觀察時(shí)，它會(huì)失去其量子態(tài)并坍縮成最終答案，有點(diǎn)像薛定諤的貓。如果量子比特與外界相互作用，模型就會(huì)受到影響。這意味著量子計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確性需要檢測(cè)。為了核驗(yàn)“九章”算得“準(zhǔn)不準(zhǔn)”， 潘建偉團(tuán)隊(duì)用超算同步驗(yàn)證，在驗(yàn)證中10個(gè)、20個(gè)光子的時(shí)候，結(jié)果都能對(duì)得上，到40個(gè)光子的時(shí)候超算就比較吃力了，“九章”一直算到了76個(gè)光子。
量子計(jì)算機(jī)的工作條件十分嚴(yán)格。量子比特可能會(huì)受到輕微電磁輻射的影響，包括宇宙射線、溫度或機(jī)械振動(dòng)。這些相互作用導(dǎo)致量子比特失去它們的量子特性，這可能導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。最大的挑戰(zhàn)是如何在物理上制造一個(gè)在運(yùn)行時(shí)完全不受環(huán)境其余部分影響的設(shè)備，但又是物理上可控和可測(cè)量的。隨著向系統(tǒng)中添加更多的量子位，干擾變得越來(lái)越難以阻擋。為了最大限度降低外界對(duì)量子計(jì)算的影響，幾乎每一種量子計(jì)算方法都試圖在盡可能接近 0 開(kāi)爾文（-273.15℃）的條件下運(yùn)行。但隨著量子位的增加，量子計(jì)算機(jī)需要的空間會(huì)增加，那么如何保證工作溫度，這也成為考驗(yàn)。
量子計(jì)算機(jī)設(shè)備要在非常冷的溫度下運(yùn)行，需要控制電子設(shè)備的能力，需要非�？斓膶�(dǎo)電性，需要能夠制造這些量子比特，這些都是量子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀。在影片中即使人類可以制造上萬(wàn)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)地球發(fā)展，但量子計(jì)算機(jī)數(shù)量也十分有限，這也反映了量子計(jì)算機(jī)的商用的難度。
即使上述的挑戰(zhàn)可以克服，但由于量子計(jì)算機(jī)要計(jì)算海量數(shù)據(jù)，量子計(jì)算機(jī)外也要有不亞于大型數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)房的存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)儲(chǔ)存要計(jì)算的數(shù)據(jù)。想要實(shí)現(xiàn)像電影中集成為一個(gè)小手提箱的程度不僅對(duì)量子計(jì)算提出極高要求，對(duì)相應(yīng)的存儲(chǔ)技術(shù)也要求極高。
總而言之，目前量子計(jì)算機(jī)還在發(fā)展之中，但科幻電影中的想象在一定程度上其實(shí)是未來(lái)的某種潛在需求。需求定義科研方向，量子計(jì)算機(jī)未來(lái)要能在常溫常壓下工作，能到外太空和水下工作。為了滿足這些需求，量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化的技術(shù)路徑或許可以發(fā)展出很多條，不同的路徑滿足不同的環(huán)境需求。
03
全球量子技術(shù)競(jìng)賽
當(dāng)將量子計(jì)算的現(xiàn)狀與我們所知的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字計(jì)算進(jìn)行比較時(shí)，現(xiàn)在大致處于上個(gè)20世紀(jì)40年代，或許是50年代。目前的量子計(jì)算機(jī)還不能做一些有用的事情，還有很長(zhǎng)的路要走。業(yè)內(nèi)很多人認(rèn)為，世界上第一臺(tái)可用的量子計(jì)算機(jī)將在 2027 年到 2028 年的時(shí)間范圍內(nèi)上市。
量子技術(shù)這樣的潛力讓世界各國(guó)都在相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目上投入大量資源。美國(guó)、中國(guó)、加拿大、日本、歐盟、英國(guó)都在加大量子技術(shù)研發(fā)力度，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才。據(jù)波士頓咨詢集團(tuán)（BCG）報(bào)告稱，量子計(jì)算未來(lái)15至30年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到4500億至8500億美元，3至5年內(nèi)，該市場(chǎng)價(jià)值可達(dá)50億至100億美元。
2022年10月， incoPat發(fā)布了全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明專利排行榜。入榜前100名企業(yè)主要來(lái)自18個(gè)國(guó)家和地區(qū)，美國(guó)占比40%，中國(guó)占比15%，日本占比11%。美國(guó)的科技公司IBM、Google和加拿大量子計(jì)算公司D-Wave分別以1323件專利、762件專利、501件專利位列前三。
美國(guó)在量子計(jì)算方面領(lǐng)先。IBM在2022年11月發(fā)布了433 量子比特處理器，并計(jì)劃在2025年推出4158量子比特的處理器。
IBM量子技術(shù)路線圖
中國(guó)在量子通信方面領(lǐng)先。除了上文提到的中科院團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“九章”，2023年1月28日，安徽省量子計(jì)算工程研究中心表示合肥本源量子也成功交付一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)給用戶使用。該量子計(jì)算機(jī)的成功交付使我國(guó)成為世界上第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國(guó)家。
04
MOSS會(huì)出現(xiàn)嗎？
在《流浪地球2》中，550W量子計(jì)算機(jī)在最后具備了自我意識(shí)自稱Moss，這其實(shí)是圍繞人工智能技術(shù)一直以來(lái)的討論。
AI技術(shù)在現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。在《流浪地球2》中，AI技術(shù)讓已故主演吳孟達(dá)再次出現(xiàn)，更是修復(fù)了聲帶受損的李雪健的聲音。在2022年8月發(fā)布的預(yù)告片中，李雪健的原聲十分模糊。而在《流浪地球 2》電影中，通過(guò) AI 修復(fù)的聲音咬字更清晰了一些。
近期大火的ChatGPT或許更符合科幻電影對(duì)人工智能的幻想。不過(guò)其本質(zhì)仍是在學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù)后的“活學(xué)活用”而非主動(dòng)創(chuàng)造。因此電影中將算力超強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)當(dāng)作了人工智能實(shí)現(xiàn)自我意識(shí)的鑰匙。
以當(dāng)下量子計(jì)算發(fā)展來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)更多的是用于專用計(jì)算，現(xiàn)階段或者很長(zhǎng)一段時(shí)間，量子計(jì)算機(jī)只在解決一些特定數(shù)學(xué)問(wèn)題有巨大優(yōu)勢(shì)，例如質(zhì)數(shù)分解， 離散對(duì)數(shù)……可以說(shuō)現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)還處于“算盤”的階段，對(duì)于需要極大數(shù)據(jù)量才能訓(xùn)練出來(lái)的人工智能來(lái)說(shuō)，在量子計(jì)算機(jī)上出現(xiàn)有自我意識(shí)還很遙遠(yuǎn)
在AI+量子計(jì)算開(kāi)啟新時(shí)代之前，首先還是要期待量子計(jì)算機(jī)的大規(guī)模通用。不過(guò)，人類世界出現(xiàn)真正生存危機(jī)和AI量子計(jì)算機(jī)被應(yīng)用，哪個(gè)會(huì)先到來(lái)呢？
