图片来源：pexels-Tara Winstead |半导体行业监管最近火爆国产科幻大片《流浪地球2》。
与那些未来科幻电影不同，《流浪地球2》中的很多元素都是基于现阶段现有的技术。
《进阶版》，这种熟悉感让这个发生在本世纪的故事更加真实。
在这部电影中，最引人注目的科幻元素一定是围绕着550系列量子计算机和迭代的自我感知人工智能MOSS（550W）。
量子计算是当前最热门的研究领域之一。
550系列的设定有点科幻，但却符合人类对量子计算机的期待——开启下一个算力时代。
2019年9月，谷歌宣布开发出53量子位计算机“sycamore”。
当对 53 位 20 周期电路进行 100 万次采样时，量子计算机需要 200 秒，而使用超级计算机 Summit 执行同样的任务则需要 10,000 年。
2020年12月，中国科学技术大学潘建伟教授团队研发的“九丈”光学量子计算机在200秒内解决了超级计算机“富岳”解决的经典数学算法高斯玻色采样的计算问题6亿年才能解决。
“量子霸权”概念的提出，让量子计算成为全球科技竞争的下一个热点话题。
量子计算机的超强算力可以在代码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域提供比传统计算机更强大的算力支持。
01 寿命万年的量子计算机。
电影中，550系列量子计算机用于处理《流浪地球》项目中最复杂的数据运算，包括抵抗太空电梯的攻击；调度全球计算资源协助建造行星发动机；实现“数字生活”，甚至培养自主意识。
近乎“神化”的量子计算机还要多久才能普及？要回答这个问题，我们首先要了解量子计算机是如何实现超级算力的。
经典计算机一次只能处于两种状态之一，而量子计算机可以同时处于多种状态的叠加。
这就是量子计算机的优势：它们可以同时探索多种不同的可能性，而不是像经典计算机那样必须一一尝试。
在经典计算中，比特是信息的基本单位。
它可以表示0或1。
量子比特是量子计算的基本单位，量子比特不仅可以表示0或1，还可以同时表示0和1的组合，这就是叠加。
这一量子位可以同时处于 0 和 1 的概率范围内，当测量该量子位时，它会根据这些概率简单地输出 0 或 1。
一个量子位可以表达三种状态，这意味着量子计算机中计算的数据量为2^N，其中N是量子位的数量。
因此，随着量子比特数量的增加，量子计算处理的数据量可以呈指数级增长。
有了量子计算机，现有的加密算法将不再安全。
通过破解，你可以得到任何银行账户的密码。
理论上，拥有大约 1,000,000 个量子位的量子计算机可以在几个月内破解 AES 256 等加密算法。
由此，美国国家标准技术研究院提出并批准了 4 个经典计算机的抗量子标准。
电影中，开场就用550C解决了无人机被黑的“叛乱”。
在保持超高算力的情况下，量子计算机的体积现在比现在的超级计算机还要小。
谷歌实验室的 53 量子位计算机占用的面积并不大，也许只有厨房那么大。
但目前来看，完美的量子计算机仍然是一个理想的概念，在其广泛应用之前还存在诸多挑战。
02 量子计算机的重重考验 现阶段，虽然量子计算的概念如此火爆，但现实是量子计算尚未实现真正的应用。
量子计算的结果不能保证完全准确。
在量子计算中，量子位需要相互纠缠，系统之外没有其他东西。
当一个系统被观察时，它会失去其量子态并坍缩成最终的解决方案，有点像薛定谔的猫。
如果量子位与外界交互，模型就会受到影响。
这意味着量子计算结果的准确性有待测试。
为了验证《九章》的计算是否“准确”，潘建伟团队利用超级计算机同步验证。
当验证10和20个光子时，结果是一致的。
当达到 40 个光子时，超级计算机就可以与之媲美了。
很难，《九章》数到了76个光子。
量子计算机在非常严格的条件下工作。
量子位可能会受到轻微电磁辐射的影响，包括宇宙射线、温度或机械振动。
这些相互作用会导致量子位失去其量子特性，从而导致计算错误。
最大的挑战是如何在物理上制造出一种完全独立于其他环境运行但物理上可控制和可测量的设备。
随着更多的量子位添加到系统中，干扰变得越来越难以阻止。
为了尽量减少外界对量子计算的影响，几乎每种量子计算方法都试图尽可能在接近 0 开尔文（-273.15°C）的温度下运行。
但随着量子比特数量的增加，量子计算机所需的空间也会增加，因此如何保证工作温度也成为了考验。
量子计算机设备需要在非常低的温度下运行，它们需要控制电子设备的能力，它们需要非常快地导电，它们需要能够制造这些量子位，这些是量子计算机的当前条件。
影片中，即使人类能够建造数万台发动机来推动地球的发展，但量子计算机的数量仍然非常有限，这也体现了量子计算机商业化的难度。
即使能够克服上述挑战，由于量子计算机需要计算海量数据，因此在量子计算机外部必须有一个不亚于大型数据库机房的存储系统来存储要计算的数据。
要达到电影中集成到小手提箱里的程度，不仅对量子计算提出了极高的要求，也对相应的存储技术提出了极高的要求。
总而言之，量子计算机仍处于研发阶段，但科幻电影中的想象在一定程度上实际上是未来的潜在需求。
需求决定了科学研究的方向。
未来，量子计算机必须能够在常温常压下工作，能够在外太空和水下工作。
为了满足这些需求，量子计算机的实际应用可能会开发出多种技术路径，不同的路径满足不同的环境需求。
03 全球量子技术竞赛 将量子计算的当前状态与我们所知的标准数字计算进行比较时，我们现在大约处于 20 世纪 40 年代，也许是 1950 年代。
目前的量子计算机还不能做任何有用的事情，而且还有很长的路要走。
许多业内人士认为，世界上第一台可用的量子计算机将在 2027 年至 2028 年期间问世。
量子技术的潜力促使世界各国投入大量资源进行相关研发项目。
美国、中国、加拿大、日本、欧盟、英国等都在加大量子技术研发和相关专业人才培养力度。
据波士顿咨询集团（BCG）报告，未来15到30年，量子计算市场规模将达到4500亿美元到8500亿美元，三到五年内，市值将达到5美元十亿至一百亿美元。
2022年10月，incoPat发布了全球量子计算技术发明专利排名。
上榜百强企业主要来自18个国家和地区，其中美国占40%，中国占15%，日本占11%。
美国科技公司IBM、谷歌和加拿大量子计算公司D-Wave分别以1323项、762项和501项专利位居前三。
美国在量子计算领域处于领先地位。
IBM于2022年11月发布了433量子位处理器，并计划在2025年推出4158量子位处理器。
中国在量子通信领域处于领先地位。
除了上述中科院团队研发的“九章”外，2023年1月28日，安徽省量子计算工程研究中心表示，合肥本源量子也成功向用户交付了一台量子计算机。
这台量子计算机的成功交付，使我国成为世界上第三个有能力交付完整量子计算机的国家。
04 MOSS会出现吗？ 《流浪地球2》，550W量子计算机终于获得了自我意识，并称自己为Moss。
这实际上是围绕人工智能技术正在进行的讨论。
现阶段AI技术已得到广泛应用。
在《流浪地球2》中，AI技术让已故演员吴孟达重新出现，甚至修复了声带受损的李雪健的声音。
2022年8月发布的预告片中，李雪健原本的声音非常模糊。
在《流浪地球 2》电影中，通过AI还原的语音清晰度更加清晰。
最近ChatGPT的流行或许更符合科幻电影中人工智能的幻想。
但其本质仍然是学习大量数据后的“学以致用”，而不是主动创造。
因此，电影中将具有超强算力的量子计算机作为人工智能实现自我意识的关键。
从目前量子计算的发展来看，量子计算机大多用于专门的计算。
现阶段或者很长一段时间内，量子计算机只在解决一些具体的数学问题上有很大优势，比如素数分解、离散对数……据说量子计算机还处于“算盘”阶段。
对于需要大量数据进行训练的人工智能来说，距离量子计算机上的自我意识还很遥远。
在AI+量子计算开启新时代之前，我们首先要期待量子计算机的广泛应用。