量子计算机：现实中的550W与电影中的MOSS相距多远？

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2023-07-03 22:45:00

量子计算机：现实中的550W与电影中的MOSS相距多远？

愉快的春节假期转眼结束，不知道在假期期间，大家有没有去看最近十分热门的电影《流浪地球2》呢？如果你去看了，那么想必会对电影中展示的各种科技设备印象深刻，从宏伟的太空电梯到可以控制全球数万台行星发动机的量子计算机550W，都让人惊叹不已。其中，量子计算机550系列的戏份之多，甚至足以媲美电影中的主角，在几乎所有的关键场所、情节中都有出场，在电影中更是将其称为流浪地球计划得以成功实施的关键。

量子计算机到底是什么？什么是量子计算机？简单来说，量子计算机就是以量子逻辑进行通用计算的设备，其与传统的计算机有着本质上的区别。目前传统的计算机基本遵循二进制（在早期的电子管时期也有十进制等设备，后期则基本为二进制），其状态只有0与1，而量子计算机则不同，简略来说它有着0、1、2三个状态。略懂计算机发展历史的朋友此时或许就开始吐槽了，0、1、2不就是三进制计算机吗？要注意的是，三进制的0、1、2，只是表示其逢三进一的一种计算方式，而非状态。

在量子计算机的运行过程中，“2”的存在使得量子计算机可以在同一时间处于n种状态中。举个例子，我们假设存在一台有四个比特的传统计算机，这台计算机每一秒只能得到一个状态，也就是0000或0101，那么想要获得所有状态就需要16秒。此时我们还有一台具有四个量子比特的量子计算机，它可以同时计算从0000到1111的所有排列组合，这意味着量子计算机只需要1秒钟就可以输出16种状态，相当于16台传统计算机同时运行的效率。16倍，好像并不多？那么如果将比特数增加到5呢？答案是32倍，6个比特呢？64，倍。随着比特数的增加，量子计算机与传统计算机之间的性能差距是呈指数级增长的，略懂数学的朋友应该能够意识到其中的恐怖，所以实际的量子计算机速度可以达到传统计算机望尘莫及的高度。

而且，量子计算机还有一个神奇的特性——量子纠缠态，量子纠缠态可以无视时间、空间使得距离无数远的两颗量子瞬间完成同步。简单来说，如果有两颗处于纠缠态中的量子，一颗在中国，一颗在月球，在中国的人将手上的量子转了个圈（比喻）同时打开激光灯照向月球，在激光到达月球前，月球上的量子就已经同步转了一圈。量子纠缠态超越时间与空间的特性，使其成为科幻作品中时空穿梭等概念的可行性猜想之一。

量子计算机的性能，取决于其内置的量子比特数量，具体的性能指标则是“量子体积”，由IBM所提出的一个专用单位。电影中的550W量子体积为8192，目前IBM新闻中公开的最强量子计算机，量子体积为128，两者相差64倍。不过，编剧似乎在这里摆了一个小乌龙，八千多量子体积的量子计算机其实我们有了，理论上在离子阱量子计算机中，只需要13个量子比特就可以得到相同量子体积的计算机。

量子比特的数量增加，研发难度也会随之飙升，想要达到550W的同等算力，我们还有很长很长的一段路要走。而算力只是制造550W的第一步，想要在现实中复刻“MOSS”，目前还看不到希望。

在一些研究者的设想中，成熟的通用量子计算机可以在原子层面模拟一个人乃至一颗星球，并且利用量子特性计算出这个人的未来，也就是科幻作品中的“预知未来”。听起来或许异想天开，但是在量子力学中这并非不可能实现的，在电影中也有所表达，比如数字生命图丫丫，还有片尾彩蛋中，MOSS预告了数十年后才会发生的木星危机。

我们与电影中的量子计算机距离，可以借用某个网友的一个比喻：“大概等同于钻木取火到i9处理器的差别”，除非出现新的科学大爆炸，否则我们这一代人是没有可能见到的。不过，或许也不需要悲观，在目前各国的量子计算机计划中，上千比特的量子计算机将在2023—2025年左右推出市场，随着量子计算机的普及，计算中心等基础设施将会得到可观的性能提升，随之而来的变革或许将会彻底颠覆我们的社会。

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