《流浪地球2》中全知全能的量子计算机可以实现吗？

光子盒研究院出品

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。

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。

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：

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……

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]。

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。

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。

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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