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    《流浪地球2》的现实倒影(一):从量子计算机到MOSS

    2025China.cn   2023年02月03日

    编者按:跟大家一样,《流浪地球2》的上映让我们感到无比兴奋。作为科技领域的内容创作者,在《流浪地球2》中不仅看到了中国科幻电影与电影工业的崛起,更看到了大量现实中真实存在的科技脉络。

    由于这部电影在科技方面的基本功非常扎实,覆盖的领域足够广泛,加之其设定在21世纪40年代开始的“近未来”,距离我们其实并不算远,所以很多网友戏称,《流浪地球2》不是科幻片,而是一部科技发展预告片。

    其实很多现实中值得被见证的科技进步,值得了解的科技进程,都躲在聚光灯之外,很难被大家看到。那不如我们就蹭一点电影的热度,把其中涉及的一些支脉细致梳理出来,聊聊电影里的科技距离我们究竟有多远,它们在现实中发展怎样。这既可以作为对全球科技局势的观察,也可以成为对科技自立自强的一种审视。

    让我们以技术为拼图,完成这幅《流浪地球2》的现实倒影。

    MOSS这条线,是《流浪地球2》中最具深度的一层故事。看似无所不能的MOSS真身是什么呢?从表现上来看,神秘的MOSS是已经觉醒的人工智能,或者成功完成上传的数字生命。他既能帮助人类建造行星发动机,又能连接全球摄像头暗中观察一切,独立谋划布局。

    但MOSS的真身,至少是人类眼中的真身在电影中很早就交代了——550系列量子计算机。

    在电影中,550量子计算机先后出现了三代,都是手提箱大小的计算设备,但其功能可谓神乎其神,既能上传数字生命,又能完成自动化建设,还负责宇航员的面试工作,而这似乎也很符合我们心里对量子计算机的那种隐隐期待。

    这些年来,从虚假广告和过渡营销里“遇事不决量子力学”,某种程度上妖魔化了量子计算。再到中美芯片纷争骤起,大家开始关注量子计算机能不能弯道超车。在电影院遇见MOSS的时候,大改量子计算机这个概念,已经能让我们心头一动。

    那么问题来了,在现实中我们还要等多久才能用上量子计算机?它又会不会像电影里的MOSS一样,走得太远了,直接变成人类的巨大隐患?

    随着量子计算机的发展趋势愈发明晰,这些问题其实是大体能找到答案的

    计算极限与量子霸权

    有一点首先需要肯定,从目前全球计算发展格局上看,想要在21世纪中叶完成行星发动机这样庞大的计算任务,几乎必须指望量子计算,这一点《流浪地球2》中是非常合理的。

    信息革命之后,计算逐渐成为了人类最重要的能力之一,乃至上升为国际博弈与国家战略的核心部分。但在今天这个周期,各界对计算这件事已经达成了一个共识——硅电芯片的极限正在逼近。人类需要计算的东西在无限增长,但算力很快要跟不上了。

    这个“危机”的首要表现,就是摩尔定律正在逐渐失效。根据摩尔定律,芯片单位面积上的晶体管的数量每18个月将翻倍,实现的算力也随之翻倍。但芯片的制程工艺和材料工艺是有限度的,摩尔定律正在明显放缓,甚至出现了停滞。

    如果我们放弃硅电芯片,下一个计算主体是什么呢?这个话题有眼花缭乱的解答,但今天看起来最具可能性的,就是量子计算。

    所谓量子计算,是指利用量子纠偏原理完成计算任务的新处理方法。这一概念在上世纪80年代就已经被提出。数十年来,产生过离子阱、核磁共振、光子偏振等等构建量子计算机的方案。2016年开始,全球各国对量子计算机的研究与布局明显加速,中、美、欧、俄等国陆续启动了量子计算的国家支持计划。而真正让量子计算机跃入大众视野的标志性事件,发生在2019年。

    很多人都把2019年称为量子计算机元年,或者量子计算应用化元年。原因在于,这一年谷歌相关团队宣布成功用一台53量子比特的量子计算机Sycamore,成功实现了量子霸权,或者称之为量子优越。也就是说,谷歌认为自己这台量子计算机,已经可以做到经典计算无论如何也做不到的事。根据此后相关团队在《自然》杂志发表的论文,这台量子计算机只有200秒就完成了超算需要1000年才完成的特定计算目标。

    尽管后来产学各界都对谷歌提出的“量子霸权已来”提出了大量质疑,但不可否认的是,这确实在量子计算机的发展历史上成为了里程碑事件,也极大加速了全球对量子计算机的关注和推动。

    在同一年,IBM宣布其商用量子计算机已经可以完成交付部署。谷歌和IBM在量子计算机领域的你追我赶,相爱相杀,也是从此时开始的。2022年,IBM放出了新的大招,其宣布造出了全球最大的量子计算机,拥有433个量子比特,性能不仅秒杀前一代产品,更是远远超过谷歌的量子计算机。

    或许可以说,从2019年到今天,大型量子计算机经历了一段高速发展期。全球各国的顶尖科技公司与高校、研究机构纷纷布局,拿出了一系列成果。“量子霸权”也从究竟能否实现的谜团,变成了基本可信的各界共识。

    在此期间,中国量子计算也经历了高速发展。量子计算机“九章”、“祖冲之号”先后问世。其中2021年5月,中国科技大学开发的66量子比特的“祖冲之号”也明确宣布验证了量子霸权的存在。可以说,中国今天在量子通信、量子计算机都有布局,整体规模和深度仅次于美国,在量子卫星、量子通信等部分领域甚至实现了全球领先。

    在这个过程中,中国科技企业也没闲着。华为、阿里、百度等企业先后从不同角度发力量子计算,在量子编程模拟、量子机器学习、量子云、量子芯片等领域进行了多样化的布局。

    目前阶段,全球大概有超过250家公司明确发展了量子计算项目,有超过20个国家提出了量子计算的支持政策。

    但在基本盘的欣欣向荣中,我们也必须正视量子计算机发展的起伏。目前虽然有国际竞争和国家政策的整体加持,但量子计算是在漫长时间中缺乏商业回馈可能的。因此在2019年的整体热度下降之后,全球科技巨头对量子计算的商业化追求正在冷却,更多是为科研产业与国家项目提供支持。一些新兴的量子计算机项目,也主要是面向科研机构和高校提供设备支持。

    同时,在芯片和计算产业兴旺,国家鼓励科技自立自强的大背景下,有不少难以描述,朦朦胧胧的量子计算机和量子芯片项目快速上马,它们的未来也处在未知数当中。

    漫长的量子计算之路

    如此说来,似乎量子计算机的前景十分光明。那实现像电影里那样的量子计算设备,是不是稍稍有点盼头了?很不幸,答案并非如此。

    无论是量子霸权,还是相关的量子模拟、量子机器学习,在今天意义基本局限于验证量子计算的可行性。也就是说,我们还处在验证行星发动机能不能推动月球的阶段。而且现实不像电影,从可行性验证再到试验机、量产机,再到走向商业化,期间需要经历漫长时间与无数难以想象的挑战。

    从今天的量子计算机,到《流浪地球2》中的550系列,在今天至少还有三道迈不过去的门槛。

    首先是小型化。

    在电影里,即使是最开始出现在月球上的550A,也做到了小型化。但在目前阶段,人类还没有找到能够让具有真正计算意义的量子计算机,完成小型化方式与方法。量子计算机的计算实现方法,需要在激光、超导等环境下完成,并且设备中需要集成大量的线缆与控制器。还有一点,量子纠偏需要在绝对零度环境中运行,因此制冷相关设备也要占据庞大的空间和质量,这些基本问题,导致量子计算机普遍需要重达几十吨。并且可搬运性很差,运维管理成本极高。当然,面向这些问题也出现了一系列解决方案。比如IBM就提出了模块化的量子计算机建设思路,以及用柔性线缆来降低量子计算机的建设难度。

    但不管怎么说,短期之内想要抱着量子计算机跑,基本是不可能实现的。也许有朋友会说,不对啊,我见过小型化的量子计算机。确实,一些公司推出了可携带的量子计算设备。但那并不是严格意义上的量子计算机,而是面向教学的量子计算模拟设备。量子计算机小型化,目前阶段还远没有提上日程。

    还有一个问题,如果像电影里那样,以一个手提箱大小的设备,处理行星发动机建造这样等级的运算,那么可能不仅是计算的小型化,还需要考虑数据存在哪的问题。毕竟在没有互联网的条件下,海量的数据会导致巨大体积和重量的硬盘。这可能就要提到DNA存储这个发展方向,不过那就是另一个故事了。

    其次是对绝对低温的依赖。

    上面说了,量子计算机有着严重的环境限制。这因为量子纠缠非常容易受到电磁辐射、温度、震动的影响,随着量子比特数的增加,这种影响会愈发强烈。为了最大限度降低量子计算当中的噪音,目前普遍采取在0开尔文(-273.15℃)的条件下运行量子计算机的方案。

    但这一方面会导致量子计算机的成本增加,同时更降低了其进行商业应用的可能。业内人士普遍认为,对绝对低温的依赖是目前量子计算机走向应用面临的最复杂问题。

    再有就是通用性缺失。

    我们知道,计算机有专用计算机与通用计算机的区别。而目前所谓的量子霸权验证,完全都是建立在特定任务的专用计算基础上的。也就是说,在一些特定任务上量子计算机已经展现了优势,但在绝大多数任务上,最先进的量子计算机性能也比不上普通电脑。

    这个问题背后,其实是量子计算机发展阶段的问题。验证量子先进性,其实仅仅是量子计算机的开端。第二阶段,我们需要在漫长的时间中逐步发展专用量子计算,最终在某个奇点开始向通用量子计算演进。至少在未来10年,仅限于学界研究的专用量子计算机才是主流。

    乐观估计,到2030年之后,可商用、可编程的量子计算机才有可能出现。而那也仅仅是漫长征程的开端,距离量子计算机走入千行百业,完成那些人类迫切想要完成的超大型计算任务,后面还有更长的路要走。

    总体而言,量子计算机在近几年已经来到高速发展期。但前沿科技的发展速率,必定远远低于大众的期待。假如太阳危机21世纪40年代就要来临,恐怕量子计算机是赶不上参战了。更加可能的情况是,量子计算机需要与脑机接口、DNA存储、通用人工智能一道,成为下一个科技周期的核心。

    人工智能等了70年,才在深度学习上见到一点端倪。科技进步总比我们的预期更加漫长。好在地球已经存在了46亿年,从概率学上来看,还不急着把地球推走。

    “小苔藓”长在何处?

    最后,让我们来回答几个大家看完《流浪地球2》,对幕后大佬MOSS与量子计算机可能产生的问题吧。

    问题一,量子计算会产生威胁人类的人工智能吗?

    这里有一个基本问题,就是计算并不产生智能。就像一个人算盘打的飞快,与他的人生智慧并不划上等号。按照现实中的技术发展逻辑,智能来自于算法,并通过操作系统、操作界面与人进行交互。而算力仅仅是完成算法训练、部署、迭代的资源支撑。在一台计算设备中,计算、存储、网络、智能、安全被称为五个核心要素,但它们是分层解耦,相互分离的。因此并没有算力升级,一定会产生更强智能的对应关系。

    问题二,一台计算机能做这么多事吗?

    我们会发现,电影里的550系列实在太全能了。上传数字生命,孕育人工智能,指挥行星发动机建设,执行流浪地球计划,可以说无一不通。但在现实中,计算至少在今天是向着异构化发展的。通用计算、超算、AI计算、物联网计算分别发展,呈现出多样性的发展局面,再通过软件进行资源的池化,组成能力集群。这样的操作更加符合低成本和安全可控的构想,把所有算力堆在一台机器上,成本很高且会进行重复建设,又将带来很多维护、维修和安全方面的问题。另一方面,现实中也不太可能把各种接口和交互形式都设计在一台计算设备上。

    问题三,是不是必须要量子计算才能够实现人工智能?

    确实目前已经有用人工智能来模拟量子纠缠,或者在量子计算机上尝试提升机器学习算法效率的探索,但整体来看两项技术并没有必然需要结合的关系。

    AI技术确实需要源源不断的庞大算力,但在全球依旧可以联网的今天,是可以用云计算来集成算力,供给AI训练、部署所需,并没有出现AI算力枯竭,需要量子计算来拯救的问题。而量子霸权实现之后,是否一定能够推动AI发展,在目前更多是未知数。我们都期待量子与智能的美好(或者可怕)邂逅,但现在讨论这些还为时尚早。

    量子计算机的发展,确实向我们展示了一个类似《流浪地球2》中的梦境:一台小小的设备,算天算地,无所不能。但现在这个梦还非常朦胧,需要徐徐图之。

    眼前解决算力不足的难题,还是需要把已有算力联合起来,组成共享、共用、共治的算力网络。这是云计算的逻辑出发点,也是东数西算所谋划的未来。

    MOSS尚且遥远,还是需要人类联合起来解决问题——这或许也符合《流浪地球2》的精神内核。

    (脑极体)

    标签:量子计算机 MOSS 我要反馈 
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