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《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?

 光子盒研究院 光子盒 2023-01-29 19:00 发表于四川
《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?(图1)

还记得《流浪地球》第一部中的MOSS吗?这已经是一台有自我意识的机器,在眼看地球无望的情况下,选择驾驶空间站逃离,因此刘培强与其发生了激烈争执。到了《流浪地球》第二部,MOSS的神秘面纱终于被揭开,它实际上是一台智能量子计算机550W。


《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?(图2)


作为贯穿《流浪地球2》全片的“黑科技”,量子计算机可以实现全球复杂计算资源的融合与调度,满足上万台行星发动机的协同运作,支持“数字生命计划”所需的巨量算力,甚至发展出了自主意识和价值观。在影片中,量子计算机几乎是一台全知全能的机器。


除了在《流浪地球2》亮相外,量子计算机也出现在了《时代》周刊的封面上,在这篇封面文章中[1],作者Charlie Campbell描述了量子计算机将如何改变世界。但这篇文章引发了业内人士的不满,量子信息科学先驱John Preskill表示,准确和负责任地讨论量子科学和技术是令人兴奋的。令人失望的是,《时代》发表了这样一篇具有误导性的文章。


《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?(图3)


《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?(图4)



误导性的内容是什么?

关于量子计算机的内容,这篇文章大部分是正确的,争议点主要有两处:


《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?(图5)

量子计算是一项将改变几乎一切的技术(a technology that is set to transform pretty much everything),量子计算机处理大量数据的独特能力已经(already)开始优化全球数千辆油轮的路线,帮助决定哪些ICU患者需要最紧急的护理,并在原子水平上模拟化学过程以更好地设计新材料……


《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?(图6)


量子的行业用途是无限的(boundless)。但在后面的内容中,作者没有提到“量子的用途是无限的”的论据,仅仅以宝马集团为例。宝马表示,“(量子计算机)强大的模拟碰撞测试可以在整个过程中节省长达6个月的时间。量子计算还将帮助我们在设计、最大内部空间和最佳空气动力学之间找到新的最佳状态。”


这些内容中提到的优化和模拟问题,的确是量子计算机擅长的领域,但作者采用的一些极端用词everything、already和boundless让业内人士感到不安,因为将量子计算机描述成一种万能的机器,不利于该领域的发展。对于优化、模拟等问题,虽然量子计算机有望远超经典计算机,但至少目前还未实现,不可能是already,更不可能是boundless;而且未来在某些领域中采用经典计算机可能仍然更优。因此,评论这篇文章具有误导性是合理的。



和《流浪地球》什么关系?

之所以将《时代》文章和《流浪地球2》联系在一起,因为它们都向观众或读者传达了这样一种观点:量子计算机是无所不能的。但至少从当前发展轨迹来看,这是不可能的。


量子计算机不是万能的,一是没必要,二是做不到。


你能想象一台量子计算机出现在小学课堂用于四则运算吗?或者在量子计算机中运行你的Word文档吗?这些都没有必要,目前经典量子计算机擅长的领域,量子计算机不太可能会涉足,因为效率很难有大的提升。


另一方面,量子计算机确实也有做不到的事。如下图所示,在计算科学中,所有的计算问题可以分为可判定问题和不可判定问题[2]。

《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?(图7)


计算机能够解决的只是可判定类问题,也就是可计算问题。这其中有三个重要的大类。一类是P问题,这类问题可使用图灵机在多项式复杂度内解决,因此是传统计算机就能够高效计算的,比如排序问题。


第二类是NP问题,属于不确定多项式复杂度问题,这些问题好验证但未必好求解。P问题包含于NP问题,而量子计算机就是要解决那些P以外的计算问题,比如Shor算法对应的质因数分解。


NP问题中还有一类是NP完全问题,这些问题的计算复杂度是指数增长的,其中包括非常经典的最大割问题、旅行商问题等。量子计算目前来看是无法高效地解决这些问题的。


因此,量子计算很可能并不能高效地解决所有问题。


回到《流浪地球2》中,量子计算机对于行星发动机的协调属于一种优化问题,的确在量子计算机可解决问题的范畴里,但问题在于,到了影片中的2050年前后,量子计算机能不能提供这么大的算力?至于自主意识,与其说550W是一台量子计算机,不如说是一种超强人工智能。假使未来能实现这样强大的机器,也不是量子计算机一人之功。


光子盒
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550W是一台什么量子计算机?

最后,我们再说电影中几个有意思的点。但凡对量子计算机有所了解的人,都应该知道量子计算机有很多种物理实现方法,超导、光量子、离子阱、中性原子等,那么《流浪地球2》的量子计算机是哪一种呢?


有人说是光量子,因为在这些路线中,光量子是最有可能实现便携式量子计算机的。也有人说是超导,例如,北京理工大学物理学院教授尹璋琦在知乎写道,“又看了一遍电影,发现有一个镜头,马兆在研发智能量子计算机550W时,身后有一台巨大的稀释制冷机,类似超导量子计算机。如果接受这样的设定,那么电影中的手持设备就只是一个终端接口,最终还得靠稀释制冷机中的量子计算硬件来做计算。”


但实际上也有别的可能,因为使用稀释制冷机的不是只有超导,半导体量子计算机甚至尚未出现的拓扑量子计算机,都有可能用到。如果要给导演郭帆建议的话,下一部《流浪地球》可以将其设定为混合体系的量子计算机,例如,将超导的快速门优势、光的通信优势和其他体系的优势都结合起来。


此外,550W采用了大量人工智能技术,“智能量子计算机”这个名字足以说明。


《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗?(图8)


除了关心550W是哪种量子计算机外,相信业内人士都看出了《流浪地球2》中关于量子计算机的最大漏洞——550W的量子体积设定为“8192”。如果说这里的量子体积跟现实中是一个意思的话,那么8192在电影上映前(2022年)就实现了。


2022年10月,量子计算公司Quantinuum就达到了这一目标,并且是在20量子比特的离子阱量子计算机中实现的,实际上对于8192量子体积,13个量子比特就足够了,20个量子比特的理论量子体积最高值可超过100万。因此,如果量子计算机550W的量子体积只有8192,是不可能成为大BOSS的。


无论如何,《流浪地球2》将量子计算机的社会关注提高到了一个新的高度,但与其他前沿技术类似,关注度越高,误解就可能越多。我们的这篇文章主要强调两点,实用量子计算机距离还很远,量子计算机也不是万能的,知道这两点,文章的目的就达到了。


参考链接:
[1]https://time.com/6249784/quantum-computing-revolution/
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/-CxGXfciTHSfi2PLOGmRaA


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