近期热映的《流浪地球2》不仅让观众看到中国科幻电影的潜力，更打开了一扇未来科技发展的视窗。在影片中，炫酷的量子计算机、工业机器人、外骨骼机甲等科技已经逐步走入现实。其中，智能量子计算机MOSS（代号550W）被誉为“全场最有价值道具”，可实现全球复杂计算资源融合与调度，以满足数万座发动机协同运作，并支撑“数字生命”计划所需算力。

而现实生活中，量子计算机到底是什么？与电影中的MOSS还有多远的距离？以下，enjoy：

量子计算机为何更“攻于算计”？

量子计算机是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的设备。其执行的量子计算以量子比特（bit）为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，能在某些计算困难问题上提供指数级加速。

如何来理解量子计算的强大能力？这要从信息操作的基本单元“比特”说起。

经典计算机的经典比特有且仅有两个可能的状态，经常用“0”和“1”来表示，就像一枚硬币的两面。

量子比特则不止有两个状态，而是可以处于0和1之间任意比例的“量子叠加态”。想象一枚在半空中旋转的硬币，我们看到的既是正面，又是背面。一台拥有N个比特的量子计算机，就像N枚硬币同时在空中翩翩起舞。

具体来看，假设一台经典计算机有2个比特，在某一确定时刻，它最多只能表示00、10、01、11这4种可能性中的一种状态；而量子计算由于叠加性，可以同时表示出4种信息状态，相当于4台经典计算机同时运行的效率。

随着可操纵的比特数增加，量子计算机信息的存储量和运算速度将会呈指数增加，远超经典计算机。比如，利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年，而利用万亿次量子计算机只需1秒。

这也是《流浪地球2》里运筹帷幄的智能量子计算机MOSS的终极实力。

现实中的量子计算机距离MOSS有多远？

尽管量子计算机潜力无穷，但距离开启MOSS的“金手指”仍需至少突破以下三道难关：

• 体积。影片中量子计算机只有手提箱大小、可移动携带，但现实中的量子计算机看起来更像一个形状复杂的吊灯，集成大量的缆线与控制器，重达几十吨，且必须在激光、超导等严苛的环境中运行，运维成本极高。 

• 温度。热产生的振动会极大干扰量子比特并影响其工作性能，因此量子计算平台必须冷却至极低温度。目前普遍需要在0开尔文（-273.15℃）的条件下运行，而这意味着非常昂贵的成本和严苛的制冷技术，也限制了量子计算机商业应用的可能性。

• 量子比特的数量。量子计算机能够解决问题的规模很大程度上取决于量子比特的数量，具体的性能指标是“量子体积”。电影中的MOSS量子体积为8192，目前全球最强量子计算机“Osprey（鱼鹰）”量子体积为512，两者相差16倍。而随着量子比特的数量增加，研发难度也会随之飙升，想要达到MOSS的同等算力，还需要漫长的征途。

除了具体技术难点之外，影片中的MOSS和现实中的量子计算机处于不同的发展阶段。国际学术界公认量子计算机领域有三个指标性的发展阶段：

• 第一阶段是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越超级计算机。目前美国、中国和加拿大已先后实现这一目标；

• 第二阶段是实现专用的量子模拟机，用于解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，如量子化学、新材料设计、优化算法等； 

• 第三阶段是在实现量子纠错的基础上，研制可编程的通用量子计算原型机。这一目标受限于技术尚未有明确的时间线。

在电影中，MOSS是通用量子计算机，几乎可以被用在所有需要算力的场景，处于第三阶段的高阶状态；而现实中，目前的量子计算机仍在主攻第二阶段，仅可解决某一方面或某几方面的问题，尚不能通用。

技术自立自强推动产业发展

由于量子计算在人工智能、化工医药、材料模拟、教育科研、金融科技和密码安全等领域具备潜在的独特优势，近年来，各国均积极推进专用量子计算机的技术研发和应用落地。

• 2019年，谷歌发布53个量子比特的处理器“Sycamore（悬铃木）”，首次实现了量子计算优越性。

• 2020年，中国科学技术大学潘建伟研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建了76个光子、100模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，速度比“悬铃木”快100亿倍。该成果使得我国成功实现了量子计算优越性。

• 2022年11月，IBM制造出了迄今全球最大量子计算机“Osprey（鱼鹰）”，其拥有433个量子比特，是该公司此前创纪录的127个量子比特计算机“鹰”的3倍多。

无论是“悬铃木”还是“九章”，目前都是仅能够处理运算特定数学问题的“原型机”，但却为我们拉开了量子时代的序幕，也为成就电影中的MOSS奠定了发展的基础。

在这一过程中，科技企业积极发挥优势，助力国内量子计算产业发展完善。其中，君联资本、联想之星共同投资企业图灵量子即是其中之一。 

图灵量子成立于2021年2月，成立不到一年已完成了从实验室迈向产业化的过程，形成了完整的市场化产品体系，在光量子芯片、专用光量子计算机、光量子测控系统、光量子EDA软件和量子云平台等方面已实现国际领先技术优势。

目前，图灵量子已发布的核心产品包括全系统集成的商用科研级专用光量子计算机—TuringQ Gen 1、三维光量子芯片及超高速可编程光量子芯片等，而其自主研发的首款商用光量子计算模拟软件FeynmanPAQS日前也开始试商用，弥补了国内光量子EDA领域技术和产品的空白。

此外，图灵量子也在积极推动产学研合作。 

2023年1月1日，图灵量子和上海交通大学无锡光子芯片研究院（CHIPX）联手打造的国内首个量子人工智能计算中心——太湖量子智算中心揭牌，旨在打造国内算力设施新范式和新标杆，并促进我国量子信息和人工智能学科建设，加速打赢关键核心技术攻坚战，在量子科技和人工智能引领的科技竞争中掌握主动权提供有效助力，同时为数字经济持续增添新的引擎驱动力。

从概念构想，到实验室成果，再到商业价值初探，量子计算机正展现着巨大的潜力和高效的增速。根据知名市场研究公司Research And Markets发布的2022年全球量子计算市场报告测算，全球量子计算市场到2031年将达到95.631亿美元，在2021-2031年期间每年增长28.6%。在市场增长的过程中，相信我们会探索更多量子计算物理实现和量子比特数量增加的方式，助力量子计算机在现实世界运筹帷幄。