從《流浪地球》中的MOSS，淺析量子計(jì)算機(jī)

隨著春節(jié)假期的結(jié)束，春節(jié)檔電影市場的票房也創(chuàng)下了記錄，不知道各位有沒有利用春節(jié)假期去看近期十分熱門的電影《流浪地球 2》呢？如果您去看過，那么各位一定會(huì)對其中人類為解決太陽“氦閃”而建造的550系列量子計(jì)算機(jī)有著深刻的印象。它幫助人類預(yù)測太陽“氦閃”，組織自動(dòng)化機(jī)器高速建造行星發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)升級為最新的550W型（MOSS）時(shí)，它已經(jīng)成為了人類有史以來算力最高的硬件，甚至還迭代出了自我意識?？梢哉f，在《流浪地球2》中，最精彩的暗線就是這臺貫穿劇情的550系列量子計(jì)算機(jī)，其戲份之多，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(jì)劃得以成功實(shí)施的關(guān)鍵。

《流浪地球2》中的550W（MOSS）量子計(jì)算機(jī)

如果各位細(xì)心看了電影最后的彩蛋，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，550W量子計(jì)算機(jī)是人類一次次危機(jī)的幕后主使，它一次次地制造危機(jī)，到底是為了激發(fā)人類的危機(jī)意識，迫使全人類團(tuán)結(jié)一致應(yīng)對危機(jī)，延續(xù)人類文明；還是真的只是為了毀滅人類，這里不做討論，但看完電影之后，相信各位都會(huì)有一個(gè)疑問：量子計(jì)算機(jī)真的如電影中描述的那般強(qiáng)大嗎？現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)到底又發(fā)展到什么程度了呢？

自20世紀(jì)人類發(fā)明傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)以來，基本上都是遵循馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“程序存儲，共享數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行”，需要 CPU 從存儲器取出指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。而隨著現(xiàn)代生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了數(shù)次飛躍，計(jì)算機(jī)性能指數(shù)級增長，且更小更強(qiáng)。但時(shí)至今日，摩爾定律逐漸接近極限，且傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已接近現(xiàn)代物理的極限——元器件接近原子尺寸，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的天花板似乎已經(jīng)隱約可見，人類急需一種全新的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，來突破計(jì)算機(jī)發(fā)展的瓶頸，而量子領(lǐng)域似乎就是下一代革命性計(jì)算機(jī)的搖籃。

量子（quantum）是現(xiàn)代物理的重要概念。即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子?？傊?，可以粗略地理解為，是尺度非常非常小的物質(zhì)，比如原子、電子、中子、甚至于夸克都是量子的范疇。而在量子領(lǐng)域上，傳統(tǒng)物理學(xué)不再適用，所以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法正常工作，但是在量子尺度下，物質(zhì)會(huì)有著一些宏觀物體所沒有的特性，有些甚至十分匪夷所思，利用這些全新的規(guī)律，我們就能制造全新的，革命性的計(jì)算設(shè)備。

眾所周知，我們傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)都是遵循二進(jìn)制運(yùn)行，其狀態(tài)只有 0 與 1，而量子計(jì)算機(jī)則不同，簡略來說它有著 0、1、2 三個(gè)狀態(tài)。有些熟悉計(jì)算機(jī)的朋友會(huì)說：這不就是前蘇聯(lián)搞過的三進(jìn)制計(jì)算機(jī)嗎？其實(shí)不然，三進(jìn)制和二進(jìn)制本質(zhì)相同，只是逢三進(jìn)一，并不是三種狀態(tài)。而在量子計(jì)算機(jī)中，它的0、1、2分別表示的是：關(guān)、開、不確定（疊加態(tài)）。“2”這種狀態(tài)，表示的不是開或關(guān)的任何一種狀態(tài)，而是 n 個(gè)狀態(tài)的疊加。各位是不是有些迷惑？狀態(tài)為何還能疊加呢？任何一種電路，它處在的狀態(tài)應(yīng)該不是開就是關(guān)吧，為何能不確定？這就需要各位讀者忘記自己所處的宏觀世界中的物理，在量子的微觀世界中，一切都仿佛是魔法一般捉摸不定。         

在上世紀(jì)著名的思想實(shí)驗(yàn)“薛定諤的貓”中，量子力學(xué)的先驅(qū)，薛定諤先生給出了一個(gè)相對好理解的解釋：將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這只既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。但是，不可能存在既死又活的貓，則必須在打開容器后才知道結(jié)果。不知各位理解沒有，如果實(shí)在理解不了，那就可以簡單想象成，在量子世界中，如果不進(jìn)行觀測，那么事物的狀態(tài)就是不確定的（即有多種狀態(tài)），只有當(dāng)觀察了以后，它才能確認(rèn)為一種情況。         

我們說回到量子計(jì)算機(jī)，在量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行過程中，“2”的存在使得量子計(jì)算機(jī)可以在同一時(shí)間處于 n 種狀態(tài)中。這種特性，使得量子計(jì)算機(jī)有著一種超凡的能力：我們知道，傳統(tǒng)比特在表示16種可能的組合時(shí)，你只能選擇其中1種，而在處于疊加態(tài)的量子比特中，你可認(rèn)為它同時(shí)處于這16種中的所有狀態(tài)！這是什么意思呢？舉個(gè)例子，一個(gè)內(nèi)存僅有n位比特的簡單計(jì)算機(jī)模型，它有 2?種狀態(tài)，n=2時(shí)，即4種，如果假設(shè)計(jì)算速度是每秒輸出一種狀態(tài)，全部輸出完成需要4秒；而對于量子計(jì)算機(jī)而言，2個(gè)量子比特都可處于疊加態(tài)，也就是能同時(shí)工作在上述4種狀態(tài)中，可以同時(shí)得出每種狀態(tài)的結(jié)果，就像一個(gè)人可以同時(shí)做4種事情，所以只需要1秒鐘就能全部輸出完成，即上述的1臺量子計(jì)算機(jī)=4臺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)并行工作！這還只是2個(gè)量子比特的能力，如果是8個(gè)呢，那就是256倍！16個(gè)呢？隨著比特?cái)?shù)的增加，量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間的性能差距是呈指數(shù)級增長。至于在電影中出現(xiàn)的550W的8192個(gè)量子比特，也就是能同時(shí)處理2的8192次方種狀態(tài)，是一個(gè)以1開頭的2500位的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字有多離譜呢？我只能告訴各位，我們這個(gè)地球上所有的沙子的數(shù)量，是一個(gè)以1開頭的19位的數(shù)字…… 

對于550系列量子計(jì)算機(jī)，它幾乎可以被用在任何需要它的場景，也就是說，它是一臺通用量子計(jì)算機(jī)，然而以目前的發(fā)展來看，我們距離一臺通用的量子計(jì)算機(jī)的距離還十分遙遠(yuǎn)。比如近幾個(gè)月IBM推出的量子計(jì)算機(jī) Osprey，其量子比特?cái)?shù)為433個(gè)，但是它只能進(jìn)行一些特定領(lǐng)域的計(jì)算，一些需要大量并行計(jì)算的場景，比如：在全球航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中為數(shù)百艘油輪挑選理想航線。而在其他的領(lǐng)域之上，其算力很可能不如各位手上的手機(jī)。不僅如此，目前的量子芯片還無法在常溫下運(yùn)行，需要使用大量的液氦，將其降溫道-273度左右，發(fā)生低溫超導(dǎo)才可以使用，一丁點(diǎn)的擾動(dòng)，就會(huì)讓計(jì)算結(jié)果大相徑庭。

盡管目前的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展阻礙重重，但還是有大量科技機(jī)構(gòu)看到了這種全新計(jì)算機(jī)的未來前景，中科大教授郭國平就表示：“3-5年內(nèi)，量子計(jì)算有望發(fā)揮實(shí)際作用?！倍覈泊_實(shí)在積極探索量子芯片、量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模量產(chǎn)的可能性。今年剛剛開始，1月31日在安徽合肥，本源量子就已經(jīng)開始緊鑼密鼓地制造我國最新的量子計(jì)算機(jī)“悟空”，作為我國首條量子芯片生產(chǎn)線，有著里程碑式的意義，目前，本源量子已成功交付一臺 24 比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，使我國成為世界上第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國家。據(jù)悉，到2025年，本源量子將突破 1000 位量子比特，達(dá)到 1024 位量子比特，并將運(yùn)用量子計(jì)算嘗試在不同行業(yè)領(lǐng)域解決對應(yīng)的問題，拓展量子計(jì)算機(jī)的適用范圍，研制出行業(yè)領(lǐng)域的專用量子計(jì)算機(jī)，這將是量子計(jì)算機(jī)走向通用量子計(jì)算機(jī)的第一步。         

總結(jié)來說，我們與電影中的量子計(jì)算機(jī)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(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。         

量子計(jì)算目前是各大國科技競爭的前沿，也是未來一種十分具有可行性的新型計(jì)算機(jī)形態(tài)，它的出現(xiàn)和持續(xù)研發(fā)，是打破摩爾定律的又一道曙光。對于這種新興技術(shù)來說，各個(gè)國家還基本上處于同一起跑線之上，也就是說，誰能在該領(lǐng)域領(lǐng)跑，誰就有很大的可能領(lǐng)跑、甚至壟斷未來的計(jì)算算力。雖然，競爭的結(jié)果可能是我們這一代人來不及知道的，但是，不積跬步無以至千里，讓我們拭目以待。