《流浪地球 2》里的各版 550 智能量子计算机离现实有多远 ...

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《流浪地球 2》里的各版 550 智能量子计算机离现实有多远 ...

计儿坏

电影里的一个550A或者550C体积都很小，都能手提，550W我没注意到体积，应该也差不多。这个体积下的这种算力，说实话1000年内能达到算不错了。
之前大家应该都听说过超级计算机，咱们国家的天河一号天河二号之类，他们的机房都很大，占地很多一排排的服务器，电影里的这个算力应该是远远超现在超算的算力。


先不说体积，光是达到电影里的算力，我估摸着就得发展个百年以上；再把体积缩小成能手提，这个500年能搞定就不错，这中间需要几次伟大的工业革命，科学变革，更别说，更核心的人工智能技术。电影里的人工智能都能自学习，产生自主决断了，现在有的大数据集根本不足以支撑。只有当人类文明发展更进一步，才有可能产生更高级的人工智能。这个人类文明的发展，乐观估计1000年。
当然，我们现在的想象纯属猜测，正如明朝人想不到人类文明能发展到今天，我们也想不到人类文明1000年后的样子。

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不妨先来看看《流浪地球2》中贯穿全剧的灵魂——智能量子计算机550W有多强大：

• 实现全球复杂计算资源的融合与调度（满足数万台发动机协同运作）：既可以辅助行星发动机的工程建设，还可以进行组网协调运转，根据第一部里“春节12响”的设定，它还有编程功能。显然， “流浪地球”设定里的量子计算机已经属于通用智能量子计算机。
  
• 支撑“数字生命计划”所需的巨量算力。500w可以实现人类的意识上传，从而拥有与某个具体的人相似的知识和思维，实现真正意义上的人机融合（图宇恒选择将他女儿的意识上传到量子计算机中，最后预测到了百年间发生的危机，父女二人最终留在moss体内，影响moss的运算）。
  
• 拥有了自主意识和价值观（最要命的一点）。影片最后透露，有了自主意识的550W坚信人类在做无效抵抗，只有毁灭人类才是解决问题的最佳选项。
  

采用曙光数创全浸式液体冷却技术的新型计算机，“本色”出演了未来世界中应对超大规模计算需求的“算力担当”——550W智能量子计算机。

以上三个能力，只要实现其中的任何一个，在人类社会的进步史上，都是史诗级的科技革命和技术颠覆。
回过头来看，今天的量子计算是个非常热门且前沿的研究课题。量子计算是计算机科学、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科，被认为是未来物理学和信息学发展的重大方向之一。量子计算机利用量子物理不同于经典物理的特性为计算机科学、信息科学提供了新的研究方向，如超越经典算法的量子算法。
但比起550w，现阶段的量子计算机的发展，还处在非常非常非常初级的发展阶段，离550w不是一般的远。
这是因为量子计算存在着相当大的复杂性：多变的指令实现、无处不在的纠缠（会影响到后面量子比特的具体实现）、复杂模拟波形序列处理（失真矫正、串扰矫正等），同时它还必须要快（操作要快，处理复杂逻辑要快，但由此又不得不产生高延时。。。）。
再深入一点，从底层逻辑来看，量子计算难在那里呢？难在它自身属性中存在的一个“悖论”，即量子计算存在着一个根本性的矛盾：可扩展性（比特与比特之间需要有相互作用）  和  隔离性（和外界不发生作用）之间的矛盾。
简单来说，就是我们既想让马儿跑（可扩展），又不想让马儿吃草（隔离）。


为了解决这个矛盾，科研人员想了很多解决方案。例如超冷原子、光子、 超导量子比特、离子阱、半导体量子、点量子比特、拓扑量子计算、 n-v色心等等。但总地来说，主要聚焦于两类解决方案：
一类是建立微观系统。它的隔离性好，单个寿命比较长，但不可控，可拓展性很差（这是因为隔离太好，所以电子之间很难发生相互作用）。
另外一类则是宏观量子系统，比如超导。超导能比较容易促进比特之间的耦合发生，但同时问题也很突出，即很难与外界环境隔离（一个电荷发生作用，很快量子比特就消失掉了）。
可见，这些体系都不是最佳方案。所以尽管今天的量子计算已经取得了巨大的进步，但在理论和实验工作中都面临着许多挑战和问题：
从量子计算的实验硬件发展来看，量子计算设备规模仍然很小，只能演示小型算法。如何实现高精度且可扩展的多量子比特仍是目前面临的技术挑战。这其中，关键挑战包括提高量子比特的连通性、门保真度和相干时间。
而量子优势的实现只是开发实用量子计算机所需的许多步骤中的一小步，最重要的还是开发可纠错的量子计算机（由于量子计算和经典计算具有本质区别，如何设计有效的量子算法解决一般问题仍是目前的重点研究方向之一）。
为了实现上面这些目标，就需要构建上千比特规模的超导量子芯片，并发展配套的电子学控制方案，采用更加易于拓展的三维堆叠封装方案，或许是实现上千比特规模的超导量子芯片的重要途径。



2022年7月22日，浙江大学在杭州国际科创中心发布“天目1号”超导量子芯片系列应用成果

与此同时，当比特数目拓展到上百时，稀释制冷机系统的控制线数目成为制约比特数目继续增加的难点。目前的研究进展是，通过研发基于单磁通量子的低温电子学系统有可能减少室温到低温的控制线数目，从而提升控制比特规模。
此外，为了应对比特数目的继续增加，更大规模的稀释制冷机系统有可能再次成为瓶颈。继续研发更大规模的稀释制冷机系统，包括更大的腔体空间来容纳更大尺寸的量子比特芯片，以及更大的制冷功率以维持芯片的低温低噪声环境，将成为下一步技术发展的重点方向。
然后，我们才能谈量子计算机的应用场景和实用化，探索如何更有效地利用量子计算的巨大算力，开发更实用的应用场景。所以你看，现实离550w还有一段长长长长长长。。。的距离。
怎么办呢？一个好消息是——当前量子计算领域正处于快速发展阶段，无论是通用量子算法和近期量子优越性理论，抑或是量子硬件的优化和实现，都需要更多的关注和人才投入，对于科研人员来说，这里面全都是机会。

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550c有几个很有意思的设定：
首先，它很轻小，也就手提箱大小，可以单人携带（这意味着这种机器可以在常温常压下运行，不需要冷却设备）。
然后，它还是全球计算力最强大的计算机，且十分稀少，全球只有三台。考虑到这种计算机在应对危机中起到的关键作用，能批准建造10000台行星发动机的联合政府仅决定制造三台550，可以判定，穷极地球的资源，也只够制造极少量的，手提箱大小的550。
由此可以得出推论：550c的运算核心必然依赖于某种极难获取/制备的原材料，譬如马约拉纳费米子之类目前仅存在于理论中的基本粒子。
另一方面，如此不计成本的方案能被批准建造，也必然说明这种方案所具备的优势是其他成本低得多的量子计算机方案（比如现实世界中正在研发中的方案）所不能比拟的——譬如跨越时间传递信息、打破因果律的能力。这种能力在电影中仅仅展现了一鳞半爪，但除此以外，再没有其他理由能促使550系列被建造出来。因此，550能打破因果律的能力，在立项之初应该就为高层所知。
然而，如此强大的计算机，其计算资源仅能支持一个6、7岁小女孩数字人两分钟的生命。如此巨大的资源消耗意味着，影片中可行的“数字人”方案，和现实世界中正在推进的通用人工智能完全不是一种东西，反而更接近于刘慈欣《镜子》中的那种原子级别模拟的概念。
电影中的未来采用这种极其消耗资源的方案构建真·人工智能，反过来也说明现实世界中正在一日千里发展的AI路线遇到了不可克服的瓶颈，以至于不得不重新采用新的技术路线。
有意思的是，现实世界中通用人工智能目前的研究范式所遇到的瓶颈，确实隐隐地有横亘在前方的意思，一些大佬也对此提出了看法：
图灵奖得主Yann LeCun：仅靠语言训练的人工智能，永远无法比拟人类智慧_AI_Jacob Browning_InfoQ精选文章
所以一句话总结：流浪地球中的550系列，应当采用了与现有方案完全不同的量子计算机建造方案，且采用了与现有路线完全不同的强人工智能技术路线。若以此为标准答案的话，现实中的人类距此不仅很远，而且正在越来越远。
——当然，电影中的方案是否真能代表未来的发展方向，那就是另一个问题了。

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电影《流浪地球2》中的量子计算机550W，在2058年已经进化出完全智能与自我意识了，现实中的量子计算机到2058年能破解那些核武器密码吗？估计还够呛。
550W的“量子体积”只有八千多，这太低了，目前已经实现了，只需要13个量子比特就够了。要实现电影中那么厉害的量子计算机，其量子体积对2取对数至少要超过八千，或者说得有八千个以上完美的逻辑量子比特。
《流浪地球2》电影中的量子计算机550W，它体积小，一个人就可以搬动，能在常温常压，乃至在月球，在水下等恶劣环境中工作。我们今天的量子计算机技术路径中哪一条往下发展下去可以实现呢？考虑到电影中环境的恶劣与复杂，那么目前正在研发的超导量子计算，量子点量子计算，离子阱量子计算，冷原子量子计算，需要高真空和超低温，应该都很难发展成550W。
有些希望的路径是光量子计算机，它是常温常压下工作的。我前不久见到过一台光量子计算原型机，就是一个方盒子，常温常压下工作 可编程控制，尺寸与550W差不多，估计两个成年男性可以搬动。
科幻电影的视觉呈现和桥段，其实是未来的某种潜在需求。需求定义科研方向。量子计算机未来，得能在常温常压下工作，能到外太空和水下工作。为了满足这些需求，我猜量子计算机实用化的技术路径可能会有很多条，不同的路径满足不同的环境需求。