《流浪地球》里無(wú)所不能的MOSS離我們還有多遠？

   愉快的春節假期轉眼結束，不知道在假期期間，大家有沒(méi)有去看最近十分熱門(mén)的電影《流浪地球2》呢？如果你去看了，那么想必會(huì )對電影中展示的各種科技設備印象深刻，從宏偉的太空電梯到可以控制全球數萬(wàn)臺行星發(fā)動(dòng)機的量子計算機550W，都讓人驚嘆不已。

其中，量子計算機550系列的戲份之多，甚至足以媲美電影中的主角，在幾乎所有的關(guān)鍵場(chǎng)所、情節中都有出場(chǎng)，在電影中更是將其稱(chēng)為流浪地球計劃得以成功實(shí)施的關(guān)鍵。

圖源：流浪地球2

如果你有看完片尾階段的彩蛋，你還會(huì )發(fā)現代號550W量子計算機，或許就是整個(gè)流浪地球系列電影中的最大反派，從人類(lèi)逃亡計劃的基石到幕后最大反派（可能），量子計算機真的如電影中描述的那般強大嗎？現實(shí)中的量子計算機到底又發(fā)展到什么程度了呢？

量子計算機到底是什么？

什么是量子計算機？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子計算機就是以量子邏輯進(jìn)行通用計算的設備，其與傳統的計算機有著(zhù)本質(zhì)上的區別。目前傳統的計算機基本遵循二進(jìn)制（在早期的電子管時(shí)期也有十進(jìn)制等設備，后期則基本為二進(jìn)制），其狀態(tài)只有0與1，而量子計算機則不同，簡(jiǎn)略來(lái)說(shuō)它有著(zhù)0、1、2三個(gè)狀態(tài)。

圖源：VEER

略懂計算機發(fā)展歷史的朋友此時(shí)或許就開(kāi)始吐槽了，0、1、2不就是三進(jìn)制計算機嗎？要注意的是，三進(jìn)制的0、1、2，只是表示其逢三進(jìn)一的一種計算方式，而非狀態(tài)。    或者這么說(shuō)會(huì )更好理解，在二進(jìn)制系統中，0是關(guān)，1是開(kāi)，只有開(kāi)與關(guān)兩種狀態(tài)。而在量子計算機的系統中，0是關(guān)，1是開(kāi)，2則是不確定（參考薛定諤的貓），在量子力學(xué)中一般將“2”的狀態(tài)稱(chēng)之為疊加態(tài)，“2”并不代表某一個(gè)狀態(tài)，而是n個(gè)狀態(tài)的疊加。

圖源：維基百科

所以，在量子計算機的運行過(guò)程中，“2”的存在使得量子計算機可以在同一時(shí)間處于n種狀態(tài)中。舉個(gè)例子，我們假設存在一臺有四個(gè)比特的傳統計算機，這臺計算機每一秒只能得到一個(gè)狀態(tài)，也就是0000或0101，那么想要獲得所有狀態(tài)就需要16秒。    此時(shí)我們還有一臺具有四個(gè)量子比特的量子計算機，它可以同時(shí)計算從0000到1111的所有排列組合，這意味著(zhù)量子計算機只需要1秒鐘就可以輸出16種狀態(tài)，相當于16臺傳統計算機同時(shí)運行的效率。    16倍，好像并不多？那么如果將比特數增加到5呢？答案是32倍，6個(gè)比特呢？64，倍。隨著(zhù)比特數的增加，量子計算機與傳統計算機之間的性能差距是呈指數級增長(cháng)的，略懂數學(xué)的朋友應該能夠意識到其中的恐怖，所以實(shí)際的量子計算機速度可以達到傳統計算機望塵莫及的高度。    而且，量子計算機還有一個(gè)神奇的特性——量子糾纏態(tài)，量子糾纏態(tài)可以無(wú)視時(shí)間、空間使得距離無(wú)數遠的兩顆量子瞬間完成同步。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果有兩顆處于糾纏態(tài)中的量子，一顆在中國，一顆在月球，在中國的人將手上的量子轉了個(gè)圈（比喻）同時(shí)打開(kāi)激光燈照向月球，在激光到達月球前，月球上的量子就已經(jīng)同步轉了一圈。    量子糾纏態(tài)超越時(shí)間與空間的特性，使其成為科幻作品中時(shí)空穿梭等概念的可行性猜想之一。而在量子計算機中，科學(xué)家則可以利用這個(gè)特性，讓量子計算機在同一時(shí)間里進(jìn)行多組不同的運算，最后通過(guò)觀(guān)察使其坍塌向概率最大的結果，也就是“正確答案”。

可以說(shuō)，在量子計算機面前，人類(lèi)目前所使用的加密系統形同虛設，擁有一臺強量子計算機的人理論上可以隨意進(jìn)出各國的在線(xiàn)金融系統，并且任意修改賬戶(hù)上的金額。當然，這是最無(wú)聊的應用，如果現實(shí)中可以造出550W，我們甚至可以從原子層面模擬整個(gè)世界。

我們離“MOSS”還有多遠？

在《流浪地球2》中，MOSS是搭載于最新型量子計算機550W上的人工智能，550W的強大在電影中有著(zhù)多處表現。比如同時(shí)控制全球各地的數萬(wàn)臺行星發(fā)動(dòng)機，還有余力進(jìn)行行星發(fā)動(dòng)機的建設與維護，甚至還可以模擬數字生命，使其壽命延長(cháng)到70年（在550C中為2分鐘）。    量子計算機的性能，取決于其內置的量子比特數量，具體的性能指標則是“量子體積”，由IBM所提出的一個(gè)專(zhuān)用單位。電影中的550W量子體積為8192，目前IBM新聞中公開(kāi)的最強量子計算機，量子體積為128，兩者相差64倍。    不過(guò)，編劇似乎在這里擺了一個(gè)小烏龍，八千多量子體積的量子計算機其實(shí)我們有了，理論上在離子阱量子計算機中，只需要13個(gè)量子比特就可以得到相同量子體積的計算機。    有研究相關(guān)領(lǐng)域的網(wǎng)友表示，想要實(shí)現片中550W的算力，需要8000個(gè)以上的完美邏輯量子比特，那么我們現在的量子計算機最高是多少呢？433量子比特，由IBM制造，距離影片中的550W還有20倍以上的差距。

圖源：IBM

而且，量子比特的數量增加，研發(fā)難度也會(huì )隨之飆升，想要達到550W的同等算力，我們還有很長(cháng)很長(cháng)的一段路要走。而算力只是制造550W的第一步，想要在現實(shí)中復刻“MOSS”，目前還看不到希望。    為何？不知道大家是否還記得電影中的一個(gè)橋段，太空電梯的無(wú)人機操控系統失控，最終的解決方案是將550C接入控制中心的主電腦，直接生成新的操作系統覆蓋舊系統。    該劇情橋段發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)中，量子計算機仍是戰略設備，僅用于少數極重要的項目中，所以無(wú)人控制中心所使用的其實(shí)是傳統計算機。不需要額外的操作，550C就自主完成了兩個(gè)計算機系統之間的編譯轉碼，同時(shí)還在極短的時(shí)間里自編譯了一個(gè)新的系統底層。    而且550系列量子計算機幾乎可以被用在所有需要算力的場(chǎng)景，這意味著(zhù)550系列是通用量子計算機，在現實(shí)的量子計算機研發(fā)中，通用量子計算機還是如同空中樓閣般的存在，可望而不可即。    我們目前的量子計算機，其本身有著(zhù)很大的局限性，只有在特殊的運算中才能發(fā)揮出遠超傳統計算機的性能，比如并行運算等場(chǎng)景。而且，想要讓量子計算機按照預定的形式運行，也需要技術(shù)人員提前進(jìn)行設置。    簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們目前的量子計算機是特異化的設備，只在特定領(lǐng)域可以正常運行，如果讓其在非特定領(lǐng)域工作，性能甚至還不如傳統計算機?？梢哉f(shuō)，量子計算機研發(fā)的最終夢(mèng)想，就是打造一臺通用量子計算機，屆時(shí)一切需要用到計算機的事物，都將得到前所未有的加強。    在一些研究者的設想中，成熟的通用量子計算機可以在原子層面模擬一個(gè)人乃至一顆星球，并且利用量子特性計算出這個(gè)人的未來(lái)，也就是科幻作品中的“預知未來(lái)”。聽(tīng)起來(lái)或許異想天開(kāi)，但是在量子力學(xué)中這并非不可能實(shí)現的，在電影中也有所表達，比如數字生命圖丫丫，還有片尾彩蛋中，MOSS預告了數十年后才會(huì )發(fā)生的木星危機。

圖源：流浪地球2

我們與電影中的量子計算機距離，可以借用某個(gè)網(wǎng)友的一個(gè)比喻：“大概等同于鉆木取火到i9處理器的差別”，除非出現新的科學(xué)大爆炸，否則我們這一代人是沒(méi)有可能見(jiàn)到的。    不過(guò)，或許也不需要悲觀(guān)，在目前各國的量子計算機計劃中，上千比特的量子計算機將在2023—2025年左右推出市場(chǎng)，隨著(zhù)量子計算機的普及，計算中心等基礎設施將會(huì )得到可觀(guān)的性能提升，隨之而來(lái)的變革或許將會(huì )徹底顛覆我們的社會(huì )。