科幻電影《流浪地球2》點(diǎn)燃了人們對(duì)未來科技的無限想象，這部時(shí)間設(shè)定在21世紀(jì)40年代的電影中出現(xiàn)了一系列的“黑科技”—淹沒在深海中的數(shù)據(jù)中心、推動(dòng)地球流浪的“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”、擁有自主意識(shí)的“數(shù)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(jì)算機(jī)550W（MOSS）”的身影。

“MOSS”憑借其指數(shù)級(jí)運(yùn)算能力，不僅能夠融合并調(diào)度全世界的計(jì)算資源，來保障全球1萬臺(tái)“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”的協(xié)同運(yùn)作，還能夠滿足“數(shù)字生命計(jì)劃”海量的算力需求，可謂是激發(fā)了大家對(duì)于未來量子計(jì)算機(jī)的無限遐想。

當(dāng)夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)—尋找現(xiàn)實(shí)世界中的“MOSS”

試想一下，如果我們要參照《流浪地球2》中的“MOSS”設(shè)定，來建造一臺(tái)在現(xiàn)實(shí)中運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)，我們就需要回顧一下電影中對(duì)“MOSS”的性能描述。

首先 ，“ MOSS”是“550”系列最新的量子計(jì)算機(jī)，屬于領(lǐng)航員空間站的核心智能主機(jī)；其次，“MOSS”的交互終端雖然可以在常溫常壓下工作，但是“MOSS”在被研制的過程中始終外接一個(gè)巨大的制冷設(shè)備；最后，根據(jù)電影中對(duì)“MOSS”設(shè)備的介紹可知，它的運(yùn)算能力用“量子體積”這一全新的指標(biāo)進(jìn)行衡量，其“量子體積”達(dá)到8192（2的13次方），憑借這樣的超級(jí)運(yùn)算能力，“MOSS”才能在最短的時(shí)間內(nèi)做出最正確的決定，從而堅(jiān)定地執(zhí)行延續(xù)人類文明的使命。

既然科幻電影創(chuàng)作取材于現(xiàn)實(shí)世界中的科學(xué)與技術(shù)，那我們就可以先根據(jù)8192這一“量子體積”的重要線索，找到“MOSS”在現(xiàn)今量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程中的一些蛛絲馬跡，從而將建造量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

“量子體積”—評(píng)估量子計(jì)算機(jī)整體性能的指標(biāo)

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)最根本的區(qū)別在于，量子計(jì)算機(jī)憑借其處于|1〉態(tài)和 |0〉態(tài)的糾纏態(tài)的量子比特這一神奇魔力，能夠進(jìn)行并行運(yùn)算，從而獲得指數(shù)級(jí)別的超強(qiáng)算力。經(jīng)典比特與量子比特的比特狀態(tài)對(duì)比如圖2.1所示

▲圖1 經(jīng)典比特與量子比特的比特狀態(tài)對(duì)比（圖片來源：視覺中國）

科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了可以充當(dāng)量子比特的物理載體，包括自然界中天然存在的帶電離子、中性原子、光量子及人造的“超導(dǎo)量子”、量子點(diǎn)等，由此設(shè)計(jì)出量子計(jì)算機(jī)的不同實(shí)現(xiàn)方案。

但是，不同的實(shí)現(xiàn)方案各有優(yōu)劣，因此需要采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估不同類型的量子計(jì)算機(jī)的整體性能。這就如同在日常生活中，如果要對(duì)比不同電子廠商生產(chǎn)的處理器的整體性能，就需要采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)測(cè)算法進(jìn)行跑分測(cè)試。對(duì)不同類型的量子計(jì)算機(jī)而言，這種用以評(píng)估整體運(yùn)算性能的科學(xué)指標(biāo)被稱為“量子體積”。

具體而言，“量子體積”并非幾何學(xué)中的體積概念，而是一組包含多種因素和復(fù)雜計(jì)算的統(tǒng)計(jì)測(cè)試。其主要包含3個(gè)構(gòu)成要素，即量子比特的數(shù)目、計(jì)算的綜合錯(cuò)誤率及量子比特的連接度。

在理想狀態(tài)下，如果一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)使用N個(gè)量子比特進(jìn)行并行運(yùn)算，它的算力理論上可以達(dá)到2的N次方。但在現(xiàn)實(shí)中環(huán)境干擾不可避免，這導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算過程中存在一定的綜合錯(cuò)誤率。為了補(bǔ)償這部分損耗，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際計(jì)算中就需要額外增加量子比特的數(shù)目。

此外，對(duì)擁有N個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)而言，任意兩個(gè)量子比特都需要能夠進(jìn)行“量子糾纏”的相互連接，從而完成N個(gè)量子比特的并行運(yùn)算。但是，受限于不同類型的量子計(jì)算機(jī)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，某些實(shí)現(xiàn)方案中的量子比特只能與最近鄰的量子比特相互連接（如圖2.2所示），量子比特的連接度降低，使原本理想的指數(shù)級(jí)算力大打折扣。

▲圖2 3種不同類型的量子計(jì)算機(jī)的量子比特及互連方式

試想一下，如果同時(shí)存在3種不同類型的量子計(jì)算機(jī)。

（1）A型量子計(jì)算機(jī)具有12個(gè)量子比特，但每個(gè)量子比特都存在一定的運(yùn)算錯(cuò)誤率，并且只能與最近鄰的量子比特相互連接。

（2）B型量子計(jì)算機(jī)具有8個(gè)完美（即不存在運(yùn)算錯(cuò)誤率）的量子比特，但每個(gè)量子比特也只能與最近鄰的量子比特相互連接。

（3）C型量子計(jì)算機(jī)雖然只有5個(gè)完美的量子比特，但是每個(gè)量子比特之間都可以實(shí)現(xiàn)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(shù)目、計(jì)算的綜合錯(cuò)誤率及量子比特的連接度，從而采用“量子體積”這一整體指標(biāo)，來評(píng)估A、B、C這3種不同類型的量子計(jì)算機(jī)整體性能的高低

繼續(xù)進(jìn)化，不斷刷新的“量子體積”

自2017年“量子體積”的概念首次被提出以來，量子計(jì)算機(jī)便以每年至少將“量子體積”增加一倍的速度不斷進(jìn)化。這與描述經(jīng)典計(jì)算機(jī)不斷迭代的“摩爾定律”相似，即經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力每經(jīng)過18~24個(gè)月便會(huì)翻一倍。

早在2017年，來自IBM的科研團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)利用5個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)了4量子體積（QV4）。到了2018年和2019年，該科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用20個(gè)量子比特分別實(shí)現(xiàn)了8量子體積（QV8）和16量子體積（QV16）。在隨后的2020年和2021年，量子體積被霍尼韋爾公司的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步刷新，達(dá)到了128量子體積（QV128）和2048量子體積（QV2048）2022年，Quantinuum團(tuán)隊(duì)一臺(tái)基于離子阱實(shí)驗(yàn)方案的量子計(jì)算機(jī)憑借其自身極低的運(yùn)算錯(cuò)誤率，實(shí)現(xiàn)了8192量子體積（QV8192）。 2024年4月，如圖2.3所示，該系列的離子阱量子計(jì)算機(jī)的量子體積提升至1048576量子體積（QV1048576）（ 2的20次方，即百萬量級(jí)，相當(dāng)于“MOSS”量子體積的128倍 ），并且還在不斷突破中……

▲圖3 量子體積在2024年4月達(dá)到了QV1048576（百萬量級(jí)）（圖片來源：Quantinuum官網(wǎng)）

由此可知，電影中“MOSS”的參數(shù)設(shè)定極有可能是源于現(xiàn)實(shí)中當(dāng)時(shí)最新型的量子計(jì)算機(jī)，但是“8192量子體積（QV8192）”還是處于很初始的發(fā)展水平，恐怕遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到電影中“MOSS”的超強(qiáng)算力?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)，隨著整體性能的不斷升級(jí)，量子計(jì)算機(jī)將達(dá)到數(shù)千萬級(jí)別的量子體積，最終實(shí)現(xiàn)通用化。

這時(shí)，我們?cè)俅位乜措娪爸械摹癕OSS”，不禁讓人開始思考：為何“MOSS”在被研制的過程中始終外接一個(gè)巨大的制冷設(shè)備？現(xiàn)實(shí)中創(chuàng)下最新量子體積紀(jì)錄的離子阱量子計(jì)算機(jī)，與“MOSS”是否采用了同一種技術(shù)方案？既然量子計(jì)算機(jī)極易受到外界環(huán)境的干擾，那為何“MOSS”的交互終端能夠在常溫常壓下工作呢？接下來，在為大家介紹“MOSS”的現(xiàn)實(shí)原型—超導(dǎo)量子計(jì)算方案、離子阱量子計(jì)算方案及光量子計(jì)算方案的過程中，我們將為大家解答上述問題。

書名：量子科技如何改變我們的生活

?♂? 作者：欒春陽 王雨桐

內(nèi)容簡介

本書圍繞量子計(jì)算、量子保密通信、量子精密測(cè)量、量子信息前沿進(jìn)展與學(xué)科交叉這四大專題進(jìn)行闡釋。在量子計(jì)算專題中，重點(diǎn)介紹了量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)平臺(tái)及其相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)前沿進(jìn)展。在量子保密通信專題中，深入介紹了“量子密鑰分發(fā)”“量子隱形傳態(tài)”方案及其相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)前沿進(jìn)展。在量子精密測(cè)量專題中，詳細(xì)闡述了原子鐘、原子磁力計(jì)、量子重力儀、量子重力梯度儀等量子設(shè)備的發(fā)展。在量子信息前沿進(jìn)展與學(xué)科交叉專題中，全面探討了量子前沿技術(shù)與人工智能、化學(xué)技術(shù)、材料學(xué)等領(lǐng)域的交叉發(fā)展。本書適合對(duì)量子前沿技術(shù)感興趣的讀者及希望深入了解量子技術(shù)發(fā)展和量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投資者閱讀。