科幻电影《流浪地球2》点燃了人们对未来科技的无限想象，这部时间设定在21世纪40年代的电影中出现了一系列的“黑科技”—淹没在深海中的数据中心、推动地球流浪的“行星发动机”、拥有自主意识的“数字生命”等。而电影中这些“黑科技”的背后，总是少不了“智能量子计算机550W（MOSS）”的身影。
“MOSS”凭借其指数级运算能力，不仅能够融合并调度全世界的计算资源，来保障全球1万台“行星发动机”的协同运作，还能够满足“数字生命计划”海量的算力需求，可谓是激发了大家对于未来量子计算机的无限遐想。
当梦想照进现实—寻找现实世界中的“MOSS”
试想一下，如果我们要参照《流浪地球2》中的“MOSS”设定，来建造一台在现实中运行的量子计算机，我们就需要回顾一下电影中对“MOSS”的性能描述。
首先 ，“ MOSS”是“550”系列最新的量子计算机，属于领航员空间站的核心智能主机；其次，“MOSS”的交互终端虽然可以在常温常压下工作，但是“MOSS”在被研制的过程中始终外接一个巨大的制冷设备；最后，根据电影中对“MOSS”设备的介绍可知，它的运算能力用“量子体积”这一全新的指标进行衡量，其“量子体积”达到8192（2的13次方），凭借这样的超级运算能力，“MOSS”才能在最短的时间内做出最正确的决定，从而坚定地执行延续人类文明的使命。
既然科幻电影创作取材于现实世界中的科学与技术，那我们就可以先根据8192这一“量子体积”的重要线索，找到“MOSS”在现今量子计算机的发展过程中的一些蛛丝马迹，从而将建造量子计算机的梦想照进现实。
“量子体积”—评估量子计算机整体性能的指标
量子计算机与经典计算机最根本的区别在于，量子计算机凭借其处于|1〉态和 |0〉态的纠缠态的量子比特这一神奇魔力，能够进行并行运算，从而获得指数级别的超强算力。经典比特与量子比特的比特状态对比如图2.1所示
▲图1 经典比特与量子比特的比特状态对比（图片来源：视觉中国）
科学家们陆续发现了可以充当量子比特的物理载体，包括自然界中天然存在的带电离子、中性原子、光量子及人造的“超导量子”、量子点等，由此设计出量子计算机的不同实现方案。
但是，不同的实现方案各有优劣，因此需要采用统一的标准来评估不同类型的量子计算机的整体性能。这就如同在日常生活中，如果要对比不同电子厂商生产的处理器的整体性能，就需要采用统一标准的评测算法进行跑分测试。对不同类型的量子计算机而言，这种用以评估整体运算性能的科学指标被称为“量子体积”。
具体而言，“量子体积”并非几何学中的体积概念，而是一组包含多种因素和复杂计算的统计测试。其主要包含3个构成要素，即量子比特的数目、计算的综合错误率及量子比特的连接度。
在理想状态下，如果一台量子计算机使用N个量子比特进行并行运算，它的算力理论上可以达到2的N次方。但在现实中环境干扰不可避免，这导致量子计算机在计算过程中存在一定的综合错误率。为了补偿这部分损耗，量子计算机在实际计算中就需要额外增加量子比特的数目。
此外，对拥有N个量子比特的量子计算机而言，任意两个量子比特都需要能够进行“量子纠缠”的相互连接，从而完成N个量子比特的并行运算。但是，受限于不同类型的量子计算机的架构设计，某些实现方案中的量子比特只能与最近邻的量子比特相互连接（如图2.2所示），量子比特的连接度降低，使原本理想的指数级算力大打折扣。
▲图2 3种不同类型的量子计算机的量子比特及互连方式
试想一下，如果同时存在3种不同类型的量子计算机。
（1）A型量子计算机具有12个量子比特，但每个量子比特都存在一定的运算错误率，并且只能与最近邻的量子比特相互连接。
（2）B型量子计算机具有8个完美（即不存在运算错误率）的量子比特，但每个量子比特也只能与最近邻的量子比特相互连接。
（3）C型量子计算机虽然只有5个完美的量子比特，但是每个量子比特之间都可以实现任意相互连接。
这样一来，我们就可以综合考虑量子比特的数目、计算的综合错误率及量子比特的连接度，从而采用“量子体积”这一整体指标，来评估A、B、C这3种不同类型的量子计算机整体性能的高低
继续进化，不断刷新的“量子体积”
自2017年“量子体积”的概念首次被提出以来，量子计算机便以每年至少将“量子体积”增加一倍的速度不断进化。这与描述经典计算机不断迭代的“摩尔定律”相似，即经典计算机的运算能力每经过18~24个月便会翻一倍。
早在2017年，来自IBM的科研团队就已经利用5个量子比特实现了4量子体积（QV4）。到了2018年和2019年，该科研团队进一步利用20个量子比特分别实现了8量子体积（QV8）和16量子体积（QV16）。在随后的2020年和2021年，量子体积被霍尼韦尔公司的科研团队进一步刷新，达到了128量子体积（QV128）和2048量子体积（QV2048）2022年，Quantinuum团队一台基于离子阱实验方案的量子计算机凭借其自身极低的运算错误率，实现了8192量子体积（QV8192）。 2024年4月，如图2.3所示，该系列的离子阱量子计算机的量子体积提升至1048576量子体积（QV1048576）（ 2的20次方，即百万量级，相当于“MOSS”量子体积的128倍 ），并且还在不断突破中……
▲图3 量子体积在2024年4月达到了QV1048576（百万量级）（图片来源：Quantinuum官网）
由此可知，电影中“MOSS”的参数设定极有可能是源于现实中当时最新型的量子计算机，但是“8192量子体积（QV8192）”还是处于很初始的发展水平，恐怕远远不能达到电影中“MOSS”的超强算力。科学家们预计，随着整体性能的不断升级，量子计算机将达到数千万级别的量子体积，最终实现通用化。
这时，我们再次回看电影中的“MOSS”，不禁让人开始思考：为何“MOSS”在被研制的过程中始终外接一个巨大的制冷设备？现实中创下最新量子体积纪录的离子阱量子计算机，与“MOSS”是否采用了同一种技术方案？既然量子计算机极易受到外界环境的干扰，那为何“MOSS”的交互终端能够在常温常压下工作呢？接下来，在为大家介绍“MOSS”的现实原型—超导量子计算方案、离子阱量子计算方案及光量子计算方案的过程中，我们将为大家解答上述问题。
📚 书名：量子科技如何改变我们的生活
💁♂️ 作者：栾春阳 王雨桐
内容简介