寻找现实世界中的“moss”（一）： 那么大的运算能力真能实现吗
来源： 科普中国 发布时间：2023-04-17
出品：科普中国
作者：栾春阳（清华大学物理系）
监制：中国科普博览
前段时间热映的科幻电影《流浪地球2》点燃了人们对于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”——从淹没在深海中的数据中心，到推动地球流浪的“行星发动机”，以及拥有自主意识的“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”凭借着量子计算机的指数级别的算力，不仅可以融合并调度全世界的计算资源，来满足全球1万台“行星发动机”的协同运作，还可以满足“数字生命计划”海量的算力需求，可谓是满足了大家对于未来量子计算机的无限遐想。
《流浪地球2》中的moss
（图片来源：《流浪地球2》剧照）
当梦想照进现实——寻找现实世界中的“moss”
那试想一下，如果我们要参考《流浪地球2》中“moss”这一设定，来建造一台现实中的量子计算机，我们就需要回顾一下电影中对于“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，但是在“moss”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“moss”的自我介绍可知，**它的运算能力用全新的“量子体积”这一指标进行衡量，**并且正是凭借8192个“量子体积”的超级运算能力，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。
（图片来源：veer图库）
既然科幻电影的来源是现实世界中的科学与技术，那我们就可以先根据“8192个量子体积”这一重要线索，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
我们平常接触到的计算设备都属于经典计算机，它们采用的是1和0的二进制运算，而这种只可以表示1态或者0态的基本运算单元被称为“比特(bit)”。而在量子计算机的数据运算中，基本的运算单元不仅可以表示1态或0态，而且能够同时概率性地存在1态和0态，这种可以表示1和0纠缠态的基本运算单元被称为“量子比特”。
因此，量子计算机与经典计算机最根本的区别之处在于，量子计算机可以凭借着处于1和0纠缠态的“量子比特”的神奇魔力进行并行运算，从而获得指数级别的超强算力。
（图片来源：veer图库）
而科学家们也陆续发现可以充当“量子比特”的物理载体，这包括自然界中天然存在的带电离子、中性原子、光量子以及人造的“超导量子”、量子点等，并由此发展出不同的量子计算机的实现方案。
但是，不同的实现方案各有优劣，这就需要采用统一的标准来评估不同型号的量子计算机的整体性能。这就像在日常生活中，如果要对比不同电子厂商生产的处理器的整体性能时，就需要采用统一标准的评测算法进行跑分测试。而对于不同型号的量子计算机而言，这种用以评估整体运算性能的科学指标被称为“量子体积”（qv）。
ibm开发的量子计算机芯片示意
来源：ibm
具体而言，“量子体积”并非几何数学中的体积概念，而是一组包含多种因素和复杂计算的统计测试。其中主要有3个构成要素：量子比特的数目，计算的综合错误率以及量子比特的连接度。
理想情况下，如果一台量子计算机拥有n个量子比特进行并行运算，它理论上可以达到2的n次方的算力。理想很美好，然而现实却很复杂。现实中总是存在一定的环境干扰，这样的话，量子计算机在计算中总是存在一定的综合错误率。为了补偿这部分的损耗，量子计算机在实际计算中就需要额外数目的量子比特。
此外，对于拥有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，受限于不同型号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，从而降低了量子比特的连接度，让原本理想的指数算力大打折扣。
ibm开发的20量子比特和50量子比特芯片的架构，可以看到各量子只能与相邻的量子连接
（图片来源：ibm）
试想一下，如果同时存在三种不同型号的量子计算机：
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，并且每个量子比特只能彼此最近邻地连接；
2）b型量子计算机具有8个完美的量子比特，同时每个量子比特也只能保持彼此最近邻相互连接；
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，计算的综合错误率以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abc三种不同型号的量子计算机整体性能的高低。
（图片来源：作者自制）
继续进化，不断刷新的“量子体积”
自从2017年，“量子体积”的概念首次被提出以来，量子计算机正在以每年至少将“量子体积”增加一倍的速度不断进化。这类似于描述经典计算机不断迭代的摩尔定律，即经典计算机的运算能力大约每两年翻一倍。
早在2017年，科研团队就已经利用5个量子比特实现了4量子体积（qv4）；在2018年和2019年，科研团队进一步利用20个量子比特分别提高至8量子体积（qv8）和16量子体积（qv16）。在随后的2020年和2021年，量子体积被进一步刷新达到了qv128和qv2048。而在2022年，一台基于离子阱实验方案的量子计算机凭借着自身极低的运算错误率，创下了8192量子体积（qv8192）的最新记录……
量子体积在2022年就达到了8192
（图片来源：quantinuum）
由此可知，电影中“moss”的参数设定极有可能是源于现实中最新型的量子计算机，但是“8192个量子体积”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。科学家预计，随着量子计算机的不断升级，相信在不久的将来，量子计算机将达到数百万的量子体积，从而最终实现通用的量子计算机。
ibm研发的新一代量子计算机，其内部芯片为433量子比特的鱼鹰（osprey）
（图片来源：ibm）
这时候我们再次回看电影中的“moss”，不禁让人又开始思考：为何在“moss”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，是否和“moss”采用同一种技术方案？既然量子计算机很容易受到外界环境干扰，那为何“moss”的交互终端又可以在常温常压下工作呢？如果想知道问题的答案，我们将在下一篇文章中继续为大家介绍“moss”的现实原型——超导量子比特方案，离子阱量子比特方案以及光量子比特方案。
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