在《流浪地球2》中，人類先后開發(fā)了量子計(jì)算機(jī)550A、550C及550W（即MOSS），用于應(yīng)對“統(tǒng)籌全球網(wǎng)絡(luò)建造和控制行星發(fā)動機(jī)”、“操控全球防御系統(tǒng)抵抗月球碎片”等復(fù)雜問題。影片中的MOSS可以迅速做出決策、滿足數(shù)萬座發(fā)動機(jī)協(xié)同運(yùn)作的需求并支撐“數(shù)字生命”計(jì)劃所需算力。從科幻回到現(xiàn)實(shí)，未來的電子計(jì)算機(jī)真的可以發(fā)揮如此大的作用嗎？下面我們談一談量子計(jì)算機(jī)的基本情況、獨(dú)特優(yōu)勢、發(fā)展現(xiàn)狀和未來應(yīng)用。
圖為：《流浪地球2》中人類開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)MOSS
什么是量子計(jì)算機(jī)？
經(jīng)典計(jì)算機(jī)最小存儲單位是比特，其邏輯電路通常只有兩個(gè)狀態(tài)，即開關(guān)的接通與斷開，用二進(jìn)制表示分別是0和1。而量子計(jì)算機(jī)是利用量子物理學(xué)的特性來存儲數(shù)據(jù)和執(zhí)行計(jì)算的機(jī)器，最小存儲單位為量子比特或量子位，n個(gè)量子比特位數(shù)的存儲能力，相當(dāng)于2的n次方臺經(jīng)典計(jì)算機(jī)的存儲能力。量子計(jì)算機(jī)每多精確控制一個(gè)比特，其算力就會翻一倍。也就是說，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要運(yùn)行數(shù)萬年的數(shù)據(jù)，量子計(jì)算機(jī)可能只需幾秒種，因此量子計(jì)算機(jī)或許可以解決即便是超級計(jì)算機(jī)也難以解決的高度復(fù)雜問題。
圖為：比特和量子比特的對比
量子計(jì)算機(jī)如何解決高度復(fù)雜的問題？
多年來，科學(xué)家們一直在努力解決現(xiàn)代分子生物學(xué)“皇冠上的明珠”——蛋白質(zhì)折疊問題，具體而言，就是預(yù)測氨基酸長鏈自發(fā)地折疊形成的三維結(jié)構(gòu)。然而，人體內(nèi)大多數(shù)蛋白質(zhì)都由數(shù)千個(gè)氨基酸組成，即便按一個(gè)蛋白質(zhì)有100個(gè)氨基酸算，其可能的三維結(jié)構(gòu)也有2的100次方種，如果按照統(tǒng)計(jì)所有折疊方式的方法來計(jì)算，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)根本無法勝任。
量子計(jì)算機(jī)采用與經(jīng)典計(jì)算機(jī)截然不同的方式來解決該問題。量子計(jì)算機(jī)并不檢查蛋白質(zhì)的每個(gè)可能折疊，而是將所有物理上有意義的折疊蛋白質(zhì)方式疊加成模型哈密頓量，然后對這些組合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)采樣，以找到最穩(wěn)定的折疊系列。IBM Quantum研究人員曾采用該方式成功在IBM Quantum 20量子位處理器上折疊蛋白質(zhì)。今年1月，上海大學(xué)、德國Kipu Quantum公司等組成的國際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)使用經(jīng)典和量子計(jì)算技術(shù)的組合解決了四面體晶格上的蛋白質(zhì)折疊問題。
圖為：蛋白質(zhì)折疊前后形態(tài)
不過，當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)還遠(yuǎn)達(dá)不到影片中呈現(xiàn)的550系列算力水平，其應(yīng)用范疇仍較小，一般是作為特定問題的專用計(jì)算加速器存在。
量子計(jì)算機(jī)目前發(fā)展得如何？
目前，全球“量子競賽”如火如荼地進(jìn)行著，量子科技特別是量子計(jì)算的研究呈加速發(fā)展的趨勢，包括中國、美國在內(nèi)的40多個(gè)國家制定了量子規(guī)劃。
美國在量子技術(shù)研究上取得了顯著成果。2019年，IBM推出世界上第一臺商用的集成量子計(jì)算系統(tǒng)IBM Q System One。2022年11月，IBM推出包含433個(gè)量子比特的量子芯片“魚鷹”。谷歌也是美國量子計(jì)算機(jī)研究的領(lǐng)頭羊之一，2019年，谷歌推出包含53個(gè)量子比特的“懸鈴木” 量子計(jì)算原型機(jī)，其團(tuán)隊(duì)已借助該原型機(jī)實(shí)現(xiàn)了16個(gè)量子位的化學(xué)計(jì)算。
圖為：IBM Q System One內(nèi)部構(gòu)造
圖為：IBM量子芯片“魚鷹”
中國量子技術(shù)研究處于世界第一梯隊(duì)。本源量子作為國內(nèi)量子計(jì)算領(lǐng)域的代表企業(yè)，已先后發(fā)布“本源悟源1號”、“本源悟源 2號”等多臺量子計(jì)算機(jī)，今年上半年還將推出最新量子計(jì)算機(jī)“悟空”，相當(dāng)于影片中MOSS的雛形。上市公司國盾量子近日也宣布完成一臺“祖沖之二號”同等規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)的搭建，該原型機(jī)計(jì)算復(fù)雜度比谷歌的“懸鈴木”量子計(jì)算原型機(jī)提高了6個(gè)數(shù)量級。
量子計(jì)算技術(shù)將應(yīng)用至哪些領(lǐng)域？
目前，量子計(jì)算技術(shù)正在走出實(shí)驗(yàn)室，走向行業(yè)應(yīng)用中：一是節(jié)能環(huán)保。量子計(jì)算可以協(xié)助研究人員更好地了解碳原子與其它元素的相互作用，助其找到從大氣中消除碳的有效方法來扭轉(zhuǎn)氣候變化的負(fù)面影響。量子計(jì)算還用于幫助研究人員有效地觀察電池的化學(xué)反應(yīng)，為世界提供更好的清潔能源電池。二是金融投資。
由于處理金融數(shù)據(jù)中的大量變量相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，摩根大通等金融機(jī)構(gòu)正在探索使用量子技術(shù)來平衡投資組合和定價(jià)選項(xiàng)（用于對沖風(fēng)險(xiǎn)的工具）。三是加密 。量子計(jì)算機(jī)未來或許可以以非?？斓乃俣绕平庾钕冗M(jìn)的數(shù)據(jù)安全軟件使用復(fù)雜算法生成的密碼。目前企業(yè)還在進(jìn)行試驗(yàn)，但還沒有研發(fā)出比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有優(yōu)勢的量子計(jì)算機(jī)。四是生物醫(yī)藥。量子計(jì)算機(jī)可以增加適用于生物機(jī)制的計(jì)算范圍、縮短篩選時(shí)間，并清理一些研究“死角”,極大節(jié)省藥物研發(fā)階段的成本。目前已有部分藥企開始相關(guān)探索，例如羅氏將量子計(jì)算用于開發(fā)阿爾茲海默癥藥物。
作者簡介：李玲玲，畢業(yè)于山東大學(xué)，現(xiàn)任淵亭科技情報(bào)分析師，主要關(guān)注國外軍事人工智能研究進(jìn)展以及俄烏沖突相關(guān)議題。
出品：科普中國
監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部
作者：李玲玲 （淵亭科技）
審核專家：費(fèi)伯禹 （中國軍網(wǎng)）
策劃：金 赫
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