《流浪地球2》的現(xiàn)實倒影（一）：從量子計算機到MOSS

編者按：跟大家一樣，《流浪地球2》的上映讓我們感到無比興奮。作為科技領(lǐng)域的內(nèi)容創(chuàng)作者，在《流浪地球2》中不僅看到了中國科幻電影與電影工業(yè)的崛起，更看到了大量現(xiàn)實中真實存在的科技脈絡(luò)。

由于這部電影在科技方面的基本功非常扎實，覆蓋的領(lǐng)域足夠廣泛,加之其設(shè)定在21世紀(jì)40年代開始的“近未來”，距離我們其實并不算遠,所以很多網(wǎng)友戲稱，《流浪地球2》不是科幻片，而是一部科技發(fā)展預(yù)告片。

其實很多現(xiàn)實中值得被見證的科技進步，值得了解的科技進程，都躲在聚光燈之外，很難被大家看到。那不如我們就蹭一點電影的熱度，把其中涉及的一些支脈細致梳理出來，聊聊電影里的科技距離我們究竟有多遠，它們在現(xiàn)實中發(fā)展怎樣。這既可以作為對全球科技局勢的觀察，也可以成為對科技自立自強的一種審視。

讓我們以技術(shù)為拼圖，完成這幅《流浪地球2》的現(xiàn)實倒影。

MOSS這條線，是《流浪地球2》中最具深度的一層故事?？此茻o所不能的MOSS真身是什么呢？從表現(xiàn)上來看，神秘的MOSS是已經(jīng)覺醒的人工智能，或者成功完成上傳的數(shù)字生命。他既能幫助人類建造行星發(fā)動機，又能連接全球攝像頭暗中觀察一切，獨立謀劃布局。

但MOSS的真身,至少是人類眼中的真身在電影中很早就交代了——550系列量子計算機。

在電影中，550量子計算機先后出現(xiàn)了三代，都是手提箱大小的計算設(shè)備，但其功能可謂神乎其神，既能上傳數(shù)字生命，又能完成自動化建設(shè)，還負責(zé)宇航員的面試工作，而這似乎也很符合我們心里對量子計算機的那種隱隱期待。

這些年來，從虛假廣告和過渡營銷里“遇事不決量子力學(xué)”，某種程度上妖魔化了量子計算。再到中美芯片紛爭驟起，大家開始關(guān)注量子計算機能不能彎道超車。在電影院遇見MOSS的時候，大改量子計算機這個概念，已經(jīng)能讓我們心頭一動。

那么問題來了，在現(xiàn)實中我們還要等多久才能用上量子計算機？它又會不會像電影里的MOSS一樣，走得太遠了，直接變成人類的巨大隱患？

隨著量子計算機的發(fā)展趨勢愈發(fā)明晰，這些問題其實是大體能找到答案的

計算極限與量子霸權(quán)

有一點首先需要肯定，從目前全球計算發(fā)展格局上看，想要在21世紀(jì)中葉完成行星發(fā)動機這樣龐大的計算任務(wù)，幾乎必須指望量子計算，這一點《流浪地球2》中是非常合理的。

信息革命之后，計算逐漸成為了人類最重要的能力之一，乃至上升為國際博弈與國家戰(zhàn)略的核心部分。但在今天這個周期，各界對計算這件事已經(jīng)達成了一個共識——硅電芯片的極限正在逼近。人類需要計算的東西在無限增長，但算力很快要跟不上了。

這個“危機”的首要表現(xiàn)，就是摩爾定律正在逐漸失效。根據(jù)摩爾定律，芯片單位面積上的晶體管的數(shù)量每18個月將翻倍，實現(xiàn)的算力也隨之翻倍。但芯片的制程工藝和材料工藝是有限度的，摩爾定律正在明顯放緩，甚至出現(xiàn)了停滯。

如果我們放棄硅電芯片，下一個計算主體是什么呢？這個話題有眼花繚亂的解答，但今天看起來最具可能性的，就是量子計算。

所謂量子計算，是指利用量子糾偏原理完成計算任務(wù)的新處理方法。這一概念在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)被提出。數(shù)十年來，產(chǎn)生過離子阱、核磁共振、光子偏振等等構(gòu)建量子計算機的方案。2016年開始，全球各國對量子計算機的研究與布局明顯加速，中、美、歐、俄等國陸續(xù)啟動了量子計算的國家支持計劃。而真正讓量子計算機躍入大眾視野的標(biāo)志性事件，發(fā)生在2019年。

很多人都把2019年稱為量子計算機元年，或者量子計算應(yīng)用化元年。原因在于，這一年谷歌相關(guān)團隊宣布成功用一臺53量子比特的量子計算機Sycamore，成功實現(xiàn)了量子霸權(quán)，或者稱之為量子優(yōu)越。也就是說，谷歌認為自己這臺量子計算機，已經(jīng)可以做到經(jīng)典計算無論如何也做不到的事。根據(jù)此后相關(guān)團隊在《自然》雜志發(fā)表的論文，這臺量子計算機只有200秒就完成了超算需要1000年才完成的特定計算目標(biāo)。

盡管后來產(chǎn)學(xué)各界都對谷歌提出的“量子霸權(quán)已來”提出了大量質(zhì)疑，但不可否認的是，這確實在量子計算機的發(fā)展歷史上成為了里程碑事件，也極大加速了全球?qū)α孔佑嬎銠C的關(guān)注和推動。

在同一年，IBM宣布其商用量子計算機已經(jīng)可以完成交付部署。谷歌和IBM在量子計算機領(lǐng)域的你追我趕，相愛相殺，也是從此時開始的。2022年，IBM放出了新的大招，其宣布造出了全球最大的量子計算機，擁有433個量子比特，性能不僅秒殺前一代產(chǎn)品，更是遠遠超過谷歌的量子計算機。

或許可以說，從2019年到今天，大型量子計算機經(jīng)歷了一段高速發(fā)展期。全球各國的頂尖科技公司與高校、研究機構(gòu)紛紛布局，拿出了一系列成果。“量子霸權(quán)”也從究竟能否實現(xiàn)的謎團，變成了基本可信的各界共識。

在此期間，中國量子計算也經(jīng)歷了高速發(fā)展。量子計算機“九章”、“祖沖之號”先后問世。其中2021年5月，中國科技大學(xué)開發(fā)的66量子比特的“祖沖之號”也明確宣布驗證了量子霸權(quán)的存在。可以說，中國今天在量子通信、量子計算機都有布局，整體規(guī)模和深度僅次于美國，在量子衛(wèi)星、量子通信等部分領(lǐng)域甚至實現(xiàn)了全球領(lǐng)先。

在這個過程中，中國科技企業(yè)也沒閑著。華為、阿里、百度等企業(yè)先后從不同角度發(fā)力量子計算，在量子編程模擬、量子機器學(xué)習(xí)、量子云、量子芯片等領(lǐng)域進行了多樣化的布局。

目前階段，全球大概有超過250家公司明確發(fā)展了量子計算項目，有超過20個國家提出了量子計算的支持政策。

但在基本盤的欣欣向榮中，我們也必須正視量子計算機發(fā)展的起伏。目前雖然有國際競爭和國家政策的整體加持，但量子計算是在漫長時間中缺乏商業(yè)回饋可能的。因此在2019年的整體熱度下降之后，全球科技巨頭對量子計算的商業(yè)化追求正在冷卻，更多是為科研產(chǎn)業(yè)與國家項目提供支持。一些新興的量子計算機項目，也主要是面向科研機構(gòu)和高校提供設(shè)備支持。

同時，在芯片和計算產(chǎn)業(yè)興旺，國家鼓勵科技自立自強的大背景下，有不少難以描述，朦朦朧朧的量子計算機和量子芯片項目快速上馬，它們的未來也處在未知數(shù)當(dāng)中。

漫長的量子計算之路

如此說來，似乎量子計算機的前景十分光明。那實現(xiàn)像電影里那樣的量子計算設(shè)備，是不是稍稍有點盼頭了？很不幸，答案并非如此。

無論是量子霸權(quán)，還是相關(guān)的量子模擬、量子機器學(xué)習(xí)，在今天意義基本局限于驗證量子計算的可行性。也就是說，我們還處在驗證行星發(fā)動機能不能推動月球的階段。而且現(xiàn)實不像電影，從可行性驗證再到試驗機、量產(chǎn)機，再到走向商業(yè)化，期間需要經(jīng)歷漫長時間與無數(shù)難以想象的挑戰(zhàn)。

從今天的量子計算機，到《流浪地球2》中的550系列，在今天至少還有三道邁不過去的門檻。

首先是小型化。

在電影里，即使是最開始出現(xiàn)在月球上的550A，也做到了小型化。但在目前階段，人類還沒有找到能夠讓具有真正計算意義的量子計算機，完成小型化方式與方法。量子計算機的計算實現(xiàn)方法，需要在激光、超導(dǎo)等環(huán)境下完成，并且設(shè)備中需要集成大量的線纜與控制器。還有一點，量子糾偏需要在絕對零度環(huán)境中運行，因此制冷相關(guān)設(shè)備也要占據(jù)龐大的空間和質(zhì)量，這些基本問題，導(dǎo)致量子計算機普遍需要重達幾十噸。并且可搬運性很差，運維管理成本極高。當(dāng)然，面向這些問題也出現(xiàn)了一系列解決方案。比如IBM就提出了模塊化的量子計算機建設(shè)思路，以及用柔性線纜來降低量子計算機的建設(shè)難度。

但不管怎么說，短期之內(nèi)想要抱著量子計算機跑，基本是不可能實現(xiàn)的。也許有朋友會說，不對啊，我見過小型化的量子計算機。確實，一些公司推出了可攜帶的量子計算設(shè)備。但那并不是嚴(yán)格意義上的量子計算機，而是面向教學(xué)的量子計算模擬設(shè)備。量子計算機小型化，目前階段還遠沒有提上日程。

還有一個問題，如果像電影里那樣，以一個手提箱大小的設(shè)備，處理行星發(fā)動機建造這樣等級的運算，那么可能不僅是計算的小型化，還需要考慮數(shù)據(jù)存在哪的問題。畢竟在沒有互聯(lián)網(wǎng)的條件下，海量的數(shù)據(jù)會導(dǎo)致巨大體積和重量的硬盤。這可能就要提到DNA存儲這個發(fā)展方向，不過那就是另一個故事了。

其次是對絕對低溫的依賴。

上面說了，量子計算機有著嚴(yán)重的環(huán)境限制。這因為量子糾纏非常容易受到電磁輻射、溫度、震動的影響，隨著量子比特數(shù)的增加，這種影響會愈發(fā)強烈。為了最大限度降低量子計算當(dāng)中的噪音，目前普遍采取在0開爾文（-273.15℃）的條件下運行量子計算機的方案。

但這一方面會導(dǎo)致量子計算機的成本增加，同時更降低了其進行商業(yè)應(yīng)用的可能。業(yè)內(nèi)人士普遍認為，對絕對低溫的依賴是目前量子計算機走向應(yīng)用面臨的最復(fù)雜問題。

再有就是通用性缺失。

我們知道，計算機有專用計算機與通用計算機的區(qū)別。而目前所謂的量子霸權(quán)驗證，完全都是建立在特定任務(wù)的專用計算基礎(chǔ)上的。也就是說，在一些特定任務(wù)上量子計算機已經(jīng)展現(xiàn)了優(yōu)勢，但在絕大多數(shù)任務(wù)上，最先進的量子計算機性能也比不上普通電腦。

這個問題背后，其實是量子計算機發(fā)展階段的問題。驗證量子先進性，其實僅僅是量子計算機的開端。第二階段，我們需要在漫長的時間中逐步發(fā)展專用量子計算，最終在某個奇點開始向通用量子計算演進。至少在未來10年，僅限于學(xué)界研究的專用量子計算機才是主流。

樂觀估計，到2030年之后，可商用、可編程的量子計算機才有可能出現(xiàn)。而那也僅僅是漫長征程的開端，距離量子計算機走入千行百業(yè)，完成那些人類迫切想要完成的超大型計算任務(wù)，后面還有更長的路要走。

總體而言，量子計算機在近幾年已經(jīng)來到高速發(fā)展期。但前沿科技的發(fā)展速率，必定遠遠低于大眾的期待。假如太陽危機21世紀(jì)40年代就要來臨，恐怕量子計算機是趕不上參戰(zhàn)了。更加可能的情況是，量子計算機需要與腦機接口、DNA存儲、通用人工智能一道，成為下一個科技周期的核心。

人工智能等了70年，才在深度學(xué)習(xí)上見到一點端倪。科技進步總比我們的預(yù)期更加漫長。好在地球已經(jīng)存在了46億年，從概率學(xué)上來看，還不急著把地球推走。

“小苔蘚”長在何處？

最后，讓我們來回答幾個大家看完《流浪地球2》，對幕后大佬MOSS與量子計算機可能產(chǎn)生的問題吧。

問題一，量子計算會產(chǎn)生威脅人類的人工智能嗎？

這里有一個基本問題，就是計算并不產(chǎn)生智能。就像一個人算盤打的飛快，與他的人生智慧并不劃上等號。按照現(xiàn)實中的技術(shù)發(fā)展邏輯，智能來自于算法，并通過操作系統(tǒng)、操作界面與人進行交互。而算力僅僅是完成算法訓(xùn)練、部署、迭代的資源支撐。在一臺計算設(shè)備中，計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、智能、安全被稱為五個核心要素，但它們是分層解耦，相互分離的。因此并沒有算力升級，一定會產(chǎn)生更強智能的對應(yīng)關(guān)系。

問題二，一臺計算機能做這么多事嗎？

我們會發(fā)現(xiàn)，電影里的550系列實在太全能了。上傳數(shù)字生命，孕育人工智能，指揮行星發(fā)動機建設(shè)，執(zhí)行流浪地球計劃，可以說無一不通。但在現(xiàn)實中，計算至少在今天是向著異構(gòu)化發(fā)展的。通用計算、超算、AI計算、物聯(lián)網(wǎng)計算分別發(fā)展，呈現(xiàn)出多樣性的發(fā)展局面，再通過軟件進行資源的池化，組成能力集群。這樣的操作更加符合低成本和安全可控的構(gòu)想，把所有算力堆在一臺機器上，成本很高且會進行重復(fù)建設(shè)，又將帶來很多維護、維修和安全方面的問題。另一方面，現(xiàn)實中也不太可能把各種接口和交互形式都設(shè)計在一臺計算設(shè)備上。

問題三，是不是必須要量子計算才能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能？

確實目前已經(jīng)有用人工智能來模擬量子糾纏，或者在量子計算機上嘗試提升機器學(xué)習(xí)算法效率的探索，但整體來看兩項技術(shù)并沒有必然需要結(jié)合的關(guān)系。

AI技術(shù)確實需要源源不斷的龐大算力，但在全球依舊可以聯(lián)網(wǎng)的今天，是可以用云計算來集成算力，供給AI訓(xùn)練、部署所需，并沒有出現(xiàn)AI算力枯竭，需要量子計算來拯救的問題。而量子霸權(quán)實現(xiàn)之后，是否一定能夠推動AI發(fā)展，在目前更多是未知數(shù)。我們都期待量子與智能的美好（或者可怕）邂逅，但現(xiàn)在討論這些還為時尚早。

量子計算機的發(fā)展，確實向我們展示了一個類似《流浪地球2》中的夢境：一臺小小的設(shè)備，算天算地，無所不能。但現(xiàn)在這個夢還非常朦朧，需要徐徐圖之。

眼前解決算力不足的難題，還是需要把已有算力聯(lián)合起來，組成共享、共用、共治的算力網(wǎng)絡(luò)。這是云計算的邏輯出發(fā)點，也是東數(shù)西算所謀劃的未來。

MOSS尚且遙遠，還是需要人類聯(lián)合起來解決問題——這或許也符合《流浪地球2》的精神內(nèi)核。