出品：科普中國
作者：欒春陽（清華大學物理系）
監制：中國科普博覽
前段時間熱映的科幻電影《流浪地球2》點燃了人們對于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”——從淹沒在深海中的數據中心，到推動地球流浪的“行星發動機”，以及擁有自主意識的“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”憑借著量子計算機的指數級別的算力，不僅可以融合并調度全世界的計算資源，來滿足全球1萬臺“行星發動機”的協同運作，還可以滿足“數字生命計劃”海量的算力需求，可謂是滿足了大家對于未來量子計算機的無限遐想。
《流浪地球2》中的MOSS
（圖片來源：《流浪地球2》劇照）
當夢想照進現實——尋找現實世界中的“MOSS”
那試想一下，如果我們要參考《流浪地球2》中“MOSS”這一設定，來建造一臺現實中的量子計算機，我們就需要回顧一下電影中對于“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，但是在“MOSS”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“MOSS”的自我介紹可知，**它的運算能力用全新的“量子體積”這一指標進行衡量，**并且正是憑借8192個“量子體積”的超級運算能力，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。
（圖片來源：Veer圖庫）
既然科幻電影的來源是現實世界中的科學與技術，那我們就可以先根據“8192個量子體積”這一重要線索，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
我們平常接觸到的計算設備都屬于經典計算機，它們采用的是1和0的二進制運算，而這種只可以表示1態或者0態的基本運算單元被稱為“比特(bit)”。而在量子計算機的數據運算中，基本的運算單元不僅可以表示1態或0態，而且能夠同時概率性地存在1態和0態，這種可以表示1和0糾纏態的基本運算單元被稱為“量子比特”。
因此，量子計算機與經典計算機最根本的區別之處在于，量子計算機可以憑借著處于1和0糾纏態的“量子比特”的神奇魔力進行并行運算，從而獲得指數級別的超強算力。
（圖片來源：Veer圖庫）
而科學家們也陸續發現可以充當“量子比特”的物理載體，這包括自然界中天然存在的帶電離子、中性原子、光量子以及人造的“超導量子”、量子點等，并由此發展出不同的量子計算機的實現方案。
但是，不同的實現方案各有優劣，這就需要采用統一的標準來評估不同型號的量子計算機的整體性能。這就像在日常生活中，如果要對比不同電子廠商生產的處理器的整體性能時，就需要采用統一標準的評測算法進行跑分測試。而對于不同型號的量子計算機而言，這種用以評估整體運算性能的科學指標被稱為“量子體積”（QV）。
IBM開發的量子計算機芯片示意
圖片來源：IBM
具體而言，“量子體積”并非幾何數學中的體積概念，而是一組包含多種因素和復雜計算的統計測試。其中主要有3個構成要素：量子比特的數目，計算的綜合錯誤率以及量子比特的連接度。
理想情況下，如果一臺量子計算機擁有N個量子比特進行并行運算，它理論上可以達到2的N次方的算力。理想很美好，然而現實卻很復雜。現實中總是存在一定的環境干擾，這樣的話，量子計算機在計算中總是存在一定的綜合錯誤率。為了補償這部分的損耗，量子計算機在實際計算中就需要額外數目的量子比特。
此外，對于擁有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，受限于不同型號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，從而降低了量子比特的連接度，讓原本理想的指數算力大打折扣。
IBM開發的20量子比特和50量子比特芯片的架構，可以看到各量子只能與相鄰的量子連接
（圖片來源：IBM）
試想一下，如果同時存在三種不同型號的量子計算機：
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，并且每個量子比特只能彼此最近鄰地連接；
2）B型量子計算機具有8個完美的量子比特，同時每個量子比特也只能保持彼此最近鄰相互連接；
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，計算的綜合錯誤率以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ABC三種不同型號的量子計算機整體性能的高低。
（圖片來源：作者自制）
繼續進化，不斷刷新的“量子體積”
自從2017年，“量子體積”的概念首次被提出以來，量子計算機正在以每年至少將“量子體積”增加一倍的速度不斷進化。這類似于描述經典計算機不斷迭代的摩爾定律，即經典計算機的運算能力大約每兩年翻一倍。
早在2017年，科研團隊就已經利用5個量子比特實現了4量子體積（QV4）；在2018年和2019年，科研團隊進一步利用20個量子比特分別提高至8量子體積（QV8）和16量子體積（QV16）。在隨后的2020年和2021年，量子體積被進一步刷新達到了QV128和QV2048。而在2022年，一臺基于離子阱實驗方案的量子計算機憑借著自身極低的運算錯誤率，創下了8192量子體積（QV8192）的最新記錄……
量子體積在2022年就達到了8192
（圖片來源：Quantinuum）
由此可知，電影中“MOSS”的參數設定極有可能是源于現實中最新型的量子計算機，但是“8192個量子體積”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。科學家預計，隨著量子計算機的不斷升級，相信在不久的將來，量子計算機將達到數百萬的量子體積，從而最終實現通用的量子計算機。
IBM研發的新一代量子計算機，其內部芯片為433量子比特的魚鷹（Osprey）
（圖片來源：IBM）
這時候我們再次回看電影中的“MOSS”，不禁讓人又開始思考：為何在“MOSS”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，是否和“MOSS”采用同一種技術方案？既然量子計算機很容易受到外界環境干擾，那為何“MOSS”的交互終端又可以在常溫常壓下工作呢？如果想知道問題的答案，我們將在下一篇文章中繼續為大家介紹“MOSS”的現實原型——超導量子比特方案，離子阱量子比特方案以及光量子比特方案。
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