在《流浪地球2》中，人類先后開發了量子計算機550A、550C及550W（即MOSS），用于應對“統籌全球網絡建造和控制行星發動機”、“操控全球防御系統抵抗月球碎片”等復雜問題。影片中的MOSS可以迅速做出決策、滿足數萬座發動機協同運作的需求并支撐“數字生命”計劃所需算力。從科幻回到現實，未來的電子計算機真的可以發揮如此大的作用嗎？下面我們談一談量子計算機的基本情況、獨特優勢、發展現狀和未來應用。

圖為：《流浪地球2》中人類開發的量子計算機MOSS

什么是量子計算機？

經典計算機最小存儲單位是比特，其邏輯電路通常只有兩個狀態，即開關的接通與斷開，用二進制表示分別是0和1。而量子計算機是利用量子物理學的特性來存儲數據和執行計算的機器，最小存儲單位為量子比特或量子位，n個量子比特位數的存儲能力，相當于2的n次方臺經典計算機的存儲能力。量子計算機每多精確控制一個比特，其算力就會翻一倍。也就是說，經典計算機需要運行數萬年的數據，量子計算機可能只需幾秒種，因此量子計算機或許可以解決即便是超級計算機也難以解決的高度復雜問題。

圖為：比特和量子比特的對比

量子計算機如何解決高度復雜的問題？

多年來，科學家們一直在努力解決現代分子生物學“皇冠上的明珠”——蛋白質折疊問題，具體而言，就是預測氨基酸長鏈自發地折疊形成的三維結構。然而，人體內大多數蛋白質都由數千個氨基酸組成，即便按一個蛋白質有100個氨基酸算，其可能的三維結構也有2的100次方種，如果按照統計所有折疊方式的方法來計算，傳統計算機根本無法勝任。

量子計算機采用與經典計算機截然不同的方式來解決該問題。量子計算機并不檢查蛋白質的每個可能折疊，而是將所有物理上有意義的折疊蛋白質方式疊加成模型哈密頓量，然后對這些組合進行統計采樣，以找到最穩定的折疊系列。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。今年1月，上海大學、德國Kipu Quantum公司等組成的國際聯合團隊使用經典和量子計算技術的組合解決了四面體晶格上的蛋白質折疊問題。

圖為：蛋白質折疊前后形態

不過，當前的量子計算機還遠達不到影片中呈現的550系列算力水平，其應用范疇仍較小，一般是作為特定問題的專用計算加速器存在。

量子計算機目前發展得如何？

目前，全球“量子競賽”如火如荼地進行著，量子科技特別是量子計算的研究呈加速發展的趨勢，包括中國、美國在內的40多個國家制定了量子規劃。

美國在量子技術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算系統IBM Q System One。2022年11月，IBM推出包含433個量子比特的量子芯片“魚鷹”。谷歌也是美國量子計算機研究的領頭羊之一，2019年，谷歌推出包含53個量子比特的“懸鈴木” 量子計算原型機，其團隊已借助該原型機實現了16個量子位的化學計算。

圖為：IBM Q System One內部構造

圖為：IBM量子芯片“魚鷹”

中國量子技術研究處于世界第一梯隊。本源量子作為國內量子計算領域的代表企業，已先后發布“本源悟源1號”、“本源悟源 2號”等多臺量子計算機，今年上半年還將推出最新量子計算機“悟空”，相當于影片中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”同等規模超導量子計算原型機的搭建，該原型機計算復雜度比谷歌的“懸鈴木”量子計算原型機提高了6個數量級。

量子計算技術將應用至哪些領域？

目前，量子計算技術正在走出實驗室，走向行業應用中：一是節能環保。量子計算可以協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氣候變化的負面影響。量子計算還用于幫助研究人員有效地觀察電池的化學反應，為世界提供更好的清潔能源電池。二是金融投資。

由于處理金融數據中的大量變量相當費時費力，摩根大通等金融機構正在探索使用量子技術來平衡投資組合和定價選項（用于對沖風險的工具）。三是加密 。量子計算機未來或許可以以非常快的速度破解最先進的數據安全軟件使用復雜算法生成的密碼。目前企業還在進行試驗，但還沒有研發出比傳統計算機更有優勢的量子計算機。四是生物醫藥。量子計算機可以增加適用于生物機制的計算范圍、縮短篩選時間，并清理一些研究“死角”,極大節省藥物研發階段的成本。目前已有部分藥企開始相關探索，例如羅氏將量子計算用于開發阿爾茲海默癥藥物。

作者簡介：李玲玲，畢業于山東大學，現任淵亭科技情報分析師，主要關注國外軍事人工智能研究進展以及俄烏沖突相關議題。

出品：科普中國

監制：光明網科普事業部

作者：李玲玲 （淵亭科技）

審核專家：費伯禹 （中國軍網）

策劃：金 赫

來源: 科普中國軍事科技

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