从《流浪地球2》中的MOSS看现实中的量子计算机

在《流浪地球2》中，人类先后开发了量子计算机550A、550C及550W（即MOSS），用于应对“统筹全球网络建造和控制行星发动机”、“操控全球防御系统抵抗月球碎片”等复杂问题。影片中的MOSS可以迅速做出决策、满足数万座发动机协同运作的需求并支撑“数字生命”计划所需算力。从科幻回到现实，未来的电子计算机真的可以发挥如此大的作用吗？下面我们谈一谈量子计算机的基本情况、独特优势、发展现状和未来应用。

图为：《流浪地球2》中人类开发的量子计算机MOSS

什么是量子计算机？

经典计算机最小存储单位是比特，其逻辑电路通常只有两个状态，即开关的接通与断开，用二进制表示分别是0和1。而量子计算机是利用量子物理学的特性来存储数据和执行计算的机器，最小存储单位为量子比特或量子位，n个量子比特位数的存储能力，相当于2的n次方台经典计算机的存储能力。量子计算机每多精确控制一个比特，其算力就会翻一倍。也就是说，经典计算机需要运行数万年的数据，量子计算机可能只需几秒种，因此量子计算机或许可以解决即便是超级计算机也难以解决的高度复杂问题。

图为：比特和量子比特的对比

量子计算机如何解决高度复杂的问题？

多年来，科学家们一直在努力解决现代分子生物学“皇冠上的明珠”——蛋白质折叠问题，具体而言，就是预测氨基酸长链自发地折叠形成的三维结构。然而，人体内大多数蛋白质都由数千个氨基酸组成，即便按一个蛋白质有100个氨基酸算，其可能的三维结构也有2的100次方种，如果按照统计所有折叠方式的方法来计算，传统计算机根本无法胜任。

量子计算机采用与经典计算机截然不同的方式来解决该问题。量子计算机并不检查蛋白质的每个可能折叠，而是将所有物理上有意义的折叠蛋白质方式叠加成模型哈密顿量，然后对这些组合进行统计采样，以找到最稳定的折叠系列。IBM Quantum研究人员曾采用该方式成功在IBM Quantum 20量子位处理器上折叠蛋白质。今年1月，上海大学、德国Kipu Quantum公司等组成的国际联合团队使用经典和量子计算技术的组合解决了四面体晶格上的蛋白质折叠问题。

图为：蛋白质折叠前后形态

不过，当前的量子计算机还远达不到影片中呈现的550系列算力水平，其应用范畴仍较小，一般是作为特定问题的专用计算加速器存在。

量子计算机目前发展得如何？

目前，全球“量子竞赛”如火如荼地进行着，量子科技特别是量子计算的研究呈加速发展的趋势，包括中国、美国在内的40多个国家制定了量子规划。

美国在量子技术研究上取得了显著成果。2019年，IBM推出世界上第一台商用的集成量子计算系统IBM Q System One。2022年11月，IBM推出包含433个量子比特的量子芯片“鱼鹰”。谷歌也是美国量子计算机研究的领头羊之一，2019年，谷歌推出包含53个量子比特的“悬铃木” 量子计算原型机，其团队已借助该原型机实现了16个量子位的化学计算。

图为：IBM Q System One内部构造

图为：IBM量子芯片“鱼鹰”

中国量子技术研究处于世界第一梯队。本源量子作为国内量子计算领域的代表企业，已先后发布“本源悟源1号”、“本源悟源 2号”等多台量子计算机，今年上半年还将推出最新量子计算机“悟空”，相当于影片中MOSS的雏形。上市公司国盾量子近日也宣布完成一台“祖冲之二号”同等规模超导量子计算原型机的搭建，该原型机计算复杂度比谷歌的“悬铃木”量子计算原型机提高了6个数量级。

量子计算技术将应用至哪些领域？

目前，量子计算技术正在走出实验室，走向行业应用中：一是节能环保。量子计算可以协助研究人员更好地了解碳原子与其它元素的相互作用，助其找到从大气中消除碳的有效方法来扭转气候变化的负面影响。量子计算还用于帮助研究人员有效地观察电池的化学反应，为世界提供更好的清洁能源电池。二是金融投资。

由于处理金融数据中的大量变量相当费时费力，摩根大通等金融机构正在探索使用量子技术来平衡投资组合和定价选项（用于对冲风险的工具）。三是加密 。量子计算机未来或许可以以非常快的速度破解最先进的数据安全软件使用复杂算法生成的密码。目前企业还在进行试验，但还没有研发出比传统计算机更有优势的量子计算机。四是生物医药。量子计算机可以增加适用于生物机制的计算范围、缩短筛选时间，并清理一些研究“死角”,极大节省药物研发阶段的成本。目前已有部分药企开始相关探索，例如罗氏将量子计算用于开发阿尔兹海默症药物。

作者简介：李玲玲，毕业于山东大学，现任渊亭科技情报分析师，主要关注国外军事人工智能研究进展以及俄乌冲突相关议题。

出品：科普中国

监制：光明网科普事业部

作者：李玲玲 （渊亭科技）

审核专家：费伯禹 （中国军网）

策划：金 赫

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