尋找現實世界中的“MOSS”：那么大的運算能力真能實現嗎?

科幻電影《流浪地球2》點燃了人們對未來科技的無限想象，這部時間設定在21世紀40年代的電影中出現了一系列的“黑科技”—淹沒在深海中的數據中心、推動地球流浪的“行星發動機”、擁有自主意識的“數字生命”等。而電影中這些“黑科技”的背后，總是少不了“智能量子計算機550W（MOSS）”的身影。

“MOSS”憑借其指數級運算能力，不僅能夠融合并調度全世界的計算資源，來保障全球1萬臺“行星發動機”的協同運作，還能夠滿足“數字生命計劃”海量的算力需求，可謂是激發了大家對于未來量子計算機的無限遐想。

當夢想照進現實—尋找現實世界中的“MOSS”

試想一下，如果我們要參照《流浪地球2》中的“MOSS”設定，來建造一臺在現實中運行的量子計算機，我們就需要回顧一下電影中對“MOSS”的性能描述。

首先 ，“ MOSS”是“550”系列最新的量子計算機，屬于領航員空間站的核心智能主機；其次，“MOSS”的交互終端雖然可以在常溫常壓下工作，但是“MOSS”在被研制的過程中始終外接一個巨大的制冷設備；最后，根據電影中對“MOSS”設備的介紹可知，它的運算能力用“量子體積”這一全新的指標進行衡量，其“量子體積”達到8192（2的13次方），憑借這樣的超級運算能力，“MOSS”才能在最短的時間內做出最正確的決定，從而堅定地執行延續人類文明的使命。

既然科幻電影創作取材于現實世界中的科學與技術，那我們就可以先根據8192這一“量子體積”的重要線索，找到“MOSS”在現今量子計算機的發展過程中的一些蛛絲馬跡，從而將建造量子計算機的夢想照進現實。

“量子體積”—評估量子計算機整體性能的指標

量子計算機與經典計算機最根本的區別在于，量子計算機憑借其處于|1〉態和 |0〉態的糾纏態的量子比特這一神奇魔力，能夠進行并行運算，從而獲得指數級別的超強算力。經典比特與量子比特的比特狀態對比如圖2.1所示

▲圖1 經典比特與量子比特的比特狀態對比（圖片來源：視覺中國）

科學家們陸續發現了可以充當量子比特的物理載體，包括自然界中天然存在的帶電離子、中性原子、光量子及人造的“超導量子”、量子點等，由此設計出量子計算機的不同實現方案。

但是，不同的實現方案各有優劣，因此需要采用統一的標準來評估不同類型的量子計算機的整體性能。這就如同在日常生活中，如果要對比不同電子廠商生產的處理器的整體性能，就需要采用統一標準的評測算法進行跑分測試。對不同類型的量子計算機而言，這種用以評估整體運算性能的科學指標被稱為“量子體積”。

具體而言，“量子體積”并非幾何學中的體積概念，而是一組包含多種因素和復雜計算的統計測試。其主要包含3個構成要素，即量子比特的數目、計算的綜合錯誤率及量子比特的連接度。

在理想狀態下，如果一臺量子計算機使用N個量子比特進行并行運算，它的算力理論上可以達到2的N次方。但在現實中環境干擾不可避免，這導致量子計算機在計算過程中存在一定的綜合錯誤率。為了補償這部分損耗，量子計算機在實際計算中就需要額外增加量子比特的數目。

此外，對擁有N個量子比特的量子計算機而言，任意兩個量子比特都需要能夠進行“量子糾纏”的相互連接，從而完成N個量子比特的并行運算。但是，受限于不同類型的量子計算機的架構設計，某些實現方案中的量子比特只能與最近鄰的量子比特相互連接（如圖2.2所示），量子比特的連接度降低，使原本理想的指數級算力大打折扣。

▲圖2 3種不同類型的量子計算機的量子比特及互連方式

試想一下，如果同時存在3種不同類型的量子計算機。

（1）A型量子計算機具有12個量子比特，但每個量子比特都存在一定的運算錯誤率，并且只能與最近鄰的量子比特相互連接。

（2）B型量子計算機具有8個完美（即不存在運算錯誤率）的量子比特，但每個量子比特也只能與最近鄰的量子比特相互連接。

（3）C型量子計算機雖然只有5個完美的量子比特，但是每個量子比特之間都可以實現任意相互連接。

這樣一來，我們就可以綜合考慮量子比特的數目、計算的綜合錯誤率及量子比特的連接度，從而采用“量子體積”這一整體指標，來評估A、B、C這3種不同類型的量子計算機整體性能的高低

繼續進化，不斷刷新的“量子體積”

自2017年“量子體積”的概念首次被提出以來，量子計算機便以每年至少將“量子體積”增加一倍的速度不斷進化。這與描述經典計算機不斷迭代的“摩爾定律”相似，即經典計算機的運算能力每經過18~24個月便會翻一倍。

早在2017年，來自IBM的科研團隊就已經利用5個量子比特實現了4量子體積（QV4）。到了2018年和2019年，該科研團隊進一步利用20個量子比特分別實現了8量子體積（QV8）和16量子體積（QV16）。在隨后的2020年和2021年，量子體積被霍尼韋爾公司的科研團隊進一步刷新，達到了128量子體積（QV128）和2048量子體積（QV2048）2022年，Quantinuum團隊一臺基于離子阱實驗方案的量子計算機憑借其自身極低的運算錯誤率，實現了8192量子體積（QV8192）。 2024年4月，如圖2.3所示，該系列的離子阱量子計算機的量子體積提升至1048576量子體積（QV1048576）（ 2的20次方，即百萬量級，相當于“MOSS”量子體積的128倍 ），并且還在不斷突破中……

▲圖3 量子體積在2024年4月達到了QV1048576（百萬量級）（圖片來源：Quantinuum官網）

由此可知，電影中“MOSS”的參數設定極有可能是源于現實中當時最新型的量子計算機，但是“8192量子體積（QV8192）”還是處于很初始的發展水平，恐怕遠遠不能達到電影中“MOSS”的超強算力。科學家們預計，隨著整體性能的不斷升級，量子計算機將達到數千萬級別的量子體積，最終實現通用化。

這時，我們再次回看電影中的“MOSS”，不禁讓人開始思考：為何“MOSS”在被研制的過程中始終外接一個巨大的制冷設備？現實中創下最新量子體積紀錄的離子阱量子計算機，與“MOSS”是否采用了同一種技術方案？既然量子計算機極易受到外界環境的干擾，那為何“MOSS”的交互終端能夠在常溫常壓下工作呢？接下來，在為大家介紹“MOSS”的現實原型—超導量子計算方案、離子阱量子計算方案及光量子計算方案的過程中，我們將為大家解答上述問題。

書名：量子科技如何改變我們的生活

?♂? 作者：欒春陽 王雨桐

內容簡介

本書圍繞量子計算、量子保密通信、量子精密測量、量子信息前沿進展與學科交叉這四大專題進行闡釋。在量子計算專題中，重點介紹了量子計算的物理實現平臺及其相應的產業前沿進展。在量子保密通信專題中，深入介紹了“量子密鑰分發”“量子隱形傳態”方案及其相應的產業前沿進展。在量子精密測量專題中，詳細闡述了原子鐘、原子磁力計、量子重力儀、量子重力梯度儀等量子設備的發展。在量子信息前沿進展與學科交叉專題中，全面探討了量子前沿技術與人工智能、化學技術、材料學等領域的交叉發展。本書適合對量子前沿技術感興趣的讀者及希望深入了解量子技術發展和量子產業發展的投資者閱讀。