《流浪地球》里無所不能的MOSS離我們還有多遠？

   愉快的春節(jié)假期轉(zhuǎn)眼結(jié)束，不知道在假期期間，大家有沒有去看最近十分熱門的電影《流浪地球2》呢？如果你去看了，那么想必會對電影中展示的各種科技設(shè)備印象深刻，從宏偉的太空電梯到可以控制全球數(shù)萬臺行星發(fā)動機的量子計算機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)鍵場所、情節(jié)中都有出場，在電影中更是將其稱為流浪地球計劃得以成功實施的關(guān)鍵。

圖源：流浪地球2

如果你有看完片尾階段的彩蛋，你還會發(fā)現(xiàn)代號550W量子計算機，或許就是整個流浪地球系列電影中的最大反派，從人類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(xiàn)實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？簡單來說，量子計算機就是以量子邏輯進行通用計算的設(shè)備，其與傳統(tǒng)的計算機有著本質(zhì)上的區(qū)別。目前傳統(tǒng)的計算機基本遵循二進制（在早期的電子管時期也有十進制等設(shè)備，后期則基本為二進制），其狀態(tài)只有0與1，而量子計算機則不同，簡略來說它有著0、1、2三個狀態(tài)。

圖源：VEER

略懂計算機發(fā)展歷史的朋友此時或許就開始吐槽了，0、1、2不就是三進制計算機嗎？要注意的是，三進制的0、1、2，只是表示其逢三進一的一種計算方式，而非狀態(tài)。    或者這么說會更好理解，在二進制系統(tǒng)中，0是關(guān)，1是開，只有開與關(guān)兩種狀態(tài)。而在量子計算機的系統(tǒng)中，0是關(guān)，1是開，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)稱之為疊加態(tài)，“2”并不代表某一個狀態(tài)，而是n個狀態(tài)的疊加。

圖源：維基百科

所以，在量子計算機的運行過程中，“2”的存在使得量子計算機可以在同一時間處于n種狀態(tài)中。舉個例子，我們假設(shè)存在一臺有四個比特的傳統(tǒng)計算機，這臺計算機每一秒只能得到一個狀態(tài)，也就是0000或0101，那么想要獲得所有狀態(tài)就需要16秒。    此時我們還有一臺具有四個量子比特的量子計算機，它可以同時計算從0000到1111的所有排列組合，這意味著量子計算機只需要1秒鐘就可以輸出16種狀態(tài)，相當(dāng)于16臺傳統(tǒng)計算機同時運行的效率。    16倍，好像并不多？那么如果將比特數(shù)增加到5呢？答案是32倍，6個比特呢？64，倍。隨著比特數(shù)的增加，量子計算機與傳統(tǒng)計算機之間的性能差距是呈指數(shù)級增長的，略懂?dāng)?shù)學(xué)的朋友應(yīng)該能夠意識到其中的恐怖，所以實際的量子計算機速度可以達到傳統(tǒng)計算機望塵莫及的高度。    而且，量子計算機還有一個神奇的特性——量子糾纏態(tài)，量子糾纏態(tài)可以無視時間、空間使得距離無數(shù)遠的兩顆量子瞬間完成同步。簡單來說，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(zhuǎn)了個圈（比喻）同時打開激光燈照向月球，在激光到達月球前，月球上的量子就已經(jīng)同步轉(zhuǎn)了一圈。    量子糾纏態(tài)超越時間與空間的特性，使其成為科幻作品中時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)家則可以利用這個特性，讓量子計算機在同一時間里進行多組不同的運算，最后通過觀察使其坍塌向概率最大的結(jié)果，也就是“正確答案”。

可以說，在量子計算機面前，人類目前所使用的加密系統(tǒng)形同虛設(shè)，擁有一臺強量子計算機的人理論上可以隨意進出各國的在線金融系統(tǒng)，并且任意修改賬戶上的金額。當(dāng)然，這是最無聊的應(yīng)用，如果現(xiàn)實中可以造出550W，我們甚至可以從原子層面模擬整個世界。

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多處表現(xiàn)。比如同時控制全球各地的數(shù)萬臺行星發(fā)動機，還有余力進行行星發(fā)動機的建設(shè)與維護，甚至還可以模擬數(shù)字生命，使其壽命延長到70年（在550C中為2分鐘）。    量子計算機的性能，取決于其內(nèi)置的量子比特數(shù)量，具體的性能指標(biāo)則是“量子體積”，由IBM所提出的一個專用單位。電影中的550W量子體積為8192，目前IBM新聞中公開的最強量子計算機，量子體積為128，兩者相差64倍。    不過，編劇似乎在這里擺了一個小烏龍，八千多量子體積的量子計算機其實我們有了，理論上在離子阱量子計算機中，只需要13個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，想要實現(xiàn)片中550W的算力，需要8000個以上的完美邏輯量子比特，那么我們現(xiàn)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(shù)量增加，研發(fā)難度也會隨之飆升，想要達到550W的同等算力，我們還有很長很長的一段路要走。而算力只是制造550W的第一步，想要在現(xiàn)實中復(fù)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橋段，太空電梯的無人機操控系統(tǒng)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(tǒng)覆蓋舊系統(tǒng)。    該劇情橋段發(fā)生的時間點中，量子計算機仍是戰(zhàn)略設(shè)備，僅用于少數(shù)極重要的項目中，所以無人控制中心所使用的其實是傳統(tǒng)計算機。不需要額外的操作，550C就自主完成了兩個計算機系統(tǒng)之間的編譯轉(zhuǎn)碼，同時還在極短的時間里自編譯了一個新的系統(tǒng)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景，這意味著550系列是通用量子計算機，在現(xiàn)實的量子計算機研發(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(tǒng)計算機的性能，比如并行運算等場景。而且，想要讓量子計算機按照預(yù)定的形式運行，也需要技術(shù)人員提前進行設(shè)置。    簡單來說，我們目前的量子計算機是特異化的設(shè)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(tǒng)計算機?？梢哉f，量子計算機研發(fā)的最終夢想，就是打造一臺通用量子計算機，屆時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(shè)想中，成熟的通用量子計算機可以在原子層面模擬一個人乃至一顆星球，并且利用量子特性計算出這個人的未來，也就是科幻作品中的“預(yù)知未來”。聽起來或許異想天開，但是在量子力學(xué)中這并非不可能實現(xiàn)的，在電影中也有所表達，比如數(shù)字生命圖丫丫，還有片尾彩蛋中，MOSS預(yù)告了數(shù)十年后才會發(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，可以借用某個網(wǎng)友的一個比喻：“大概等同于鉆木取火到i9處理器的差別”，除非出現(xiàn)新的科學(xué)大爆炸，否則我們這一代人是沒有可能見到的。    不過，或許也不需要悲觀，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，隨著量子計算機的普及，計算中心等基礎(chǔ)設(shè)施將會得到可觀的性能提升，隨之而來的變革或許將會徹底顛覆我們的社會。