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更新時間:2023-02-03 17:55:00  瀏覽次數:71439次

編者按:跟大家一樣,流浪量計《流浪地球2》的地球的現到上映讓我們感到無比興奮。作為科技領域的實倒算機內容創作者,在《流浪地球2》中不僅看到了中國科幻電影與電影工業的流浪量計崛起,更看到了大量現實中真實存在的地球的現到科技脈絡。

由于這部電影在科技方面的實倒算機基本功非常扎實,覆蓋的流浪量計領域足夠廣泛,加之其設定在21世紀40年代開始的“近未來”,距離我們其實并不算遠,所以很多網友戲稱,地球的現到《流浪地球2》不是實倒算機科幻片,而是流浪量計一部科技發展預告片。

其實很多現實中值得被見證的地球的現到科技進步,值得了解的實倒算機科技進程,都躲在聚光燈之外,流浪量計很難被大家看到。地球的現到那不如我們就蹭一點電影的實倒算機熱度,把其中涉及的一些支脈細致梳理出來,聊聊電影里的科技距離我們究竟有多遠,它們在現實中發展怎樣。這既可以作為對全球科技局勢的觀察,也可以成為對科技自立自強的一種審視。

讓我們以技術為拼圖,完成這幅《流浪地球2》的現實倒影。

MOSS這條線,是《流浪地球2》中最具深度的一層故事??此茻o所不能的MOSS真身是什么呢?從表現上來看,神秘的MOSS是已經覺醒的人工智能,或者成功完成上傳的數字生命。他既能幫助人類建造行星發動機,又能連接全球攝像頭暗中觀察一切,獨立謀劃布局。

但MOSS的真身,至少是人類眼中的真身在電影中很早就交代了——550系列量子計算機。

在電影中,550量子計算機先后出現了三代,都是手提箱大小的計算設備,但其功能可謂神乎其神,既能上傳數字生命,又能完成自動化建設,還負責宇航員的面試工作,而這似乎也很符合我們心里對量子計算機的那種隱隱期待。

這些年來,從虛假廣告和過渡營銷里“遇事不決量子力學”,某種程度上妖魔化了量子計算。再到中美芯片紛爭驟起,大家開始關注量子計算機能不能彎道超車。在電影院遇見MOSS的時候,大改量子計算機這個概念,已經能讓我們心頭一動。

那么問題來了,在現實中我們還要等多久才能用上量子計算機?它又會不會像電影里的MOSS一樣,走得太遠了,直接變成人類的巨大隱患?

隨著量子計算機的發展趨勢愈發明晰,這些問題其實是大體能找到答案的

計算極限與量子霸權

有一點首先需要肯定,從目前全球計算發展格局上看,想要在21世紀中葉完成行星發動機這樣龐大的計算任務,幾乎必須指望量子計算,這一點《流浪地球2》中是非常合理的。

信息革命之后,計算逐漸成為了人類最重要的能力之一,乃至上升為國際博弈與國家戰略的核心部分。但在今天這個周期,各界對計算這件事已經達成了一個共識——硅電芯片的極限正在逼近。人類需要計算的東西在無限增長,但算力很快要跟不上了。

這個“危機”的首要表現,就是摩爾定律正在逐漸失效。根據摩爾定律,芯片單位面積上的晶體管的數量每18個月將翻倍,實現的算力也隨之翻倍。但芯片的制程工藝和材料工藝是有限度的,摩爾定律正在明顯放緩,甚至出現了停滯。

如果我們放棄硅電芯片,下一個計算主體是什么呢?這個話題有眼花繚亂的解答,但今天看起來最具可能性的,就是量子計算。

所謂量子計算,是指利用量子糾偏原理完成計算任務的新處理方法。這一概念在上世紀80年代就已經被提出。數十年來,產生過離子阱、核磁共振、光子偏振等等構建量子計算機的方案。2016年開始,全球各國對量子計算機的研究與布局明顯加速,中、美、歐、俄等國陸續啟動了量子計算的國家支持計劃。而真正讓量子計算機躍入大眾視野的標志性事件,發生在2019年。

很多人都把2019年稱為量子計算機元年,或者量子計算應用化元年。原因在于,這一年谷歌相關團隊宣布成功用一臺53量子比特的量子計算機Sycamore,成功實現了量子霸權,或者稱之為量子優越。也就是說,谷歌認為自己這臺量子計算機,已經可以做到經典計算無論如何也做不到的事。根據此后相關團隊在《自然》雜志發表的論文,這臺量子計算機只有200秒就完成了超算需要1000年才完成的特定計算目標。

盡管后來產學各界都對谷歌提出的“量子霸權已來”提出了大量質疑,但不可否認的是,這確實在量子計算機的發展歷史上成為了里程碑事件,也極大加速了全球對量子計算機的關注和推動。

在同一年,IBM宣布其商用量子計算機已經可以完成交付部署。谷歌和IBM在量子計算機領域的你追我趕,相愛相殺,也是從此時開始的。2022年,IBM放出了新的大招,其宣布造出了全球最大的量子計算機,擁有433個量子比特,性能不僅秒殺前一代產品,更是遠遠超過谷歌的量子計算機。

或許可以說,從2019年到今天,大型量子計算機經歷了一段高速發展期。全球各國的頂尖科技公司與高校、研究機構紛紛布局,拿出了一系列成果?!傲孔影詸唷币矎木烤鼓芊駥崿F的謎團,變成了基本可信的各界共識。

在此期間,中國量子計算也經歷了高速發展。量子計算機“九章”、“祖沖之號”先后問世。其中2021年5月,中國科技大學開發的66量子比特的“祖沖之號”也明確宣布驗證了量子霸權的存在??梢哉f,中國今天在量子通信、量子計算機都有布局,整體規模和深度僅次于美國,在量子衛星、量子通信等部分領域甚至實現了全球領先。

在這個過程中,中國科技企業也沒閑著。華為、阿里、百度等企業先后從不同角度發力量子計算,在量子編程模擬、量子機器學習、量子云、量子芯片等領域進行了多樣化的布局。

目前階段,全球大概有超過250家公司明確發展了量子計算項目,有超過20個國家提出了量子計算的支持政策。

但在基本盤的欣欣向榮中,我們也必須正視量子計算機發展的起伏。目前雖然有國際競爭和國家政策的整體加持,但量子計算是在漫長時間中缺乏商業回饋可能的。因此在2019年的整體熱度下降之后,全球科技巨頭對量子計算的商業化追求正在冷卻,更多是為科研產業與國家項目提供支持。一些新興的量子計算機項目,也主要是面向科研機構和高校提供設備支持。

同時,在芯片和計算產業興旺,國家鼓勵科技自立自強的大背景下,有不少難以描述,朦朦朧朧的量子計算機和量子芯片項目快速上馬,它們的未來也處在未知數當中。

漫長的量子計算之路

如此說來,似乎量子計算機的前景十分光明。那實現像電影里那樣的量子計算設備,是不是稍稍有點盼頭了?很不幸,答案并非如此。

無論是量子霸權,還是相關的量子模擬、量子機器學習,在今天意義基本局限于驗證量子計算的可行性。也就是說,我們還處在驗證行星發動機能不能推動月球的階段。而且現實不像電影,從可行性驗證再到試驗機、量產機,再到走向商業化,期間需要經歷漫長時間與無數難以想象的挑戰。

從今天的量子計算機,到《流浪地球2》中的550系列,在今天至少還有三道邁不過去的門檻。

首先是小型化。

在電影里,即使是最開始出現在月球上的550A,也做到了小型化。但在目前階段,人類還沒有找到能夠讓具有真正計算意義的量子計算機,完成小型化方式與方法。量子計算機的計算實現方法,需要在激光、超導等環境下完成,并且設備中需要集成大量的線纜與控制器。還有一點,量子糾偏需要在絕對零度環境中運行,因此制冷相關設備也要占據龐大的空間和質量,這些基本問題,導致量子計算機普遍需要重達幾十噸。并且可搬運性很差,運維管理成本極高。當然,面向這些問題也出現了一系列解決方案。比如IBM就提出了模塊化的量子計算機建設思路,以及用柔性線纜來降低量子計算機的建設難度。

但不管怎么說,短期之內想要抱著量子計算機跑,基本是不可能實現的。也許有朋友會說,不對啊,我見過小型化的量子計算機。確實,一些公司推出了可攜帶的量子計算設備。但那并不是嚴格意義上的量子計算機,而是面向教學的量子計算模擬設備。量子計算機小型化,目前階段還遠沒有提上日程。

還有一個問題,如果像電影里那樣,以一個手提箱大小的設備,處理行星發動機建造這樣等級的運算,那么可能不僅是計算的小型化,還需要考慮數據存在哪的問題。畢竟在沒有互聯網的條件下,海量的數據會導致巨大體積和重量的硬盤。這可能就要提到DNA存儲這個發展方向,不過那就是另一個故事了。

其次是對絕對低溫的依賴。

上面說了,量子計算機有著嚴重的環境限制。這因為量子糾纏非常容易受到電磁輻射、溫度、震動的影響,隨著量子比特數的增加,這種影響會愈發強烈。為了最大限度降低量子計算當中的噪音,目前普遍采取在0開爾文(-273.15℃)的條件下運行量子計算機的方案。

但這一方面會導致量子計算機的成本增加,同時更降低了其進行商業應用的可能。業內人士普遍認為,對絕對低溫的依賴是目前量子計算機走向應用面臨的最復雜問題。

再有就是通用性缺失。

我們知道,計算機有專用計算機與通用計算機的區別。而目前所謂的量子霸權驗證,完全都是建立在特定任務的專用計算基礎上的。也就是說,在一些特定任務上量子計算機已經展現了優勢,但在絕大多數任務上,最先進的量子計算機性能也比不上普通電腦。

這個問題背后,其實是量子計算機發展階段的問題。驗證量子先進性,其實僅僅是量子計算機的開端。第二階段,我們需要在漫長的時間中逐步發展專用量子計算,最終在某個奇點開始向通用量子計算演進。至少在未來10年,僅限于學界研究的專用量子計算機才是主流。

樂觀估計,到2030年之后,可商用、可編程的量子計算機才有可能出現。而那也僅僅是漫長征程的開端,距離量子計算機走入千行百業,完成那些人類迫切想要完成的超大型計算任務,后面還有更長的路要走。

總體而言,量子計算機在近幾年已經來到高速發展期。但前沿科技的發展速率,必定遠遠低于大眾的期待。假如太陽危機21世紀40年代就要來臨,恐怕量子計算機是趕不上參戰了。更加可能的情況是,量子計算機需要與腦機接口、DNA存儲、通用人工智能一道,成為下一個科技周期的核心。

人工智能等了70年,才在深度學習上見到一點端倪??萍歼M步總比我們的預期更加漫長。好在地球已經存在了46億年,從概率學上來看,還不急著把地球推走。

“小苔蘚”長在何處?

最后,讓我們來回答幾個大家看完《流浪地球2》,對幕后大佬MOSS與量子計算機可能產生的問題吧。

問題一,量子計算會產生威脅人類的人工智能嗎?

這里有一個基本問題,就是計算并不產生智能。就像一個人算盤打的飛快,與他的人生智慧并不劃上等號。按照現實中的技術發展邏輯,智能來自于算法,并通過操作系統、操作界面與人進行交互。而算力僅僅是完成算法訓練、部署、迭代的資源支撐。在一臺計算設備中,計算、存儲、網絡、智能、安全被稱為五個核心要素,但它們是分層解耦,相互分離的。因此并沒有算力升級,一定會產生更強智能的對應關系。

問題二,一臺計算機能做這么多事嗎?

我們會發現,電影里的550系列實在太全能了。上傳數字生命,孕育人工智能,指揮行星發動機建設,執行流浪地球計劃,可以說無一不通。但在現實中,計算至少在今天是向著異構化發展的。通用計算、超算、AI計算、物聯網計算分別發展,呈現出多樣性的發展局面,再通過軟件進行資源的池化,組成能力集群。這樣的操作更加符合低成本和安全可控的構想,把所有算力堆在一臺機器上,成本很高且會進行重復建設,又將帶來很多維護、維修和安全方面的問題。另一方面,現實中也不太可能把各種接口和交互形式都設計在一臺計算設備上。

問題三,是不是必須要量子計算才能夠實現人工智能?

確實目前已經有用人工智能來模擬量子糾纏,或者在量子計算機上嘗試提升機器學習算法效率的探索,但整體來看兩項技術并沒有必然需要結合的關系。

AI技術確實需要源源不斷的龐大算力,但在全球依舊可以聯網的今天,是可以用云計算來集成算力,供給AI訓練、部署所需,并沒有出現AI算力枯竭,需要量子計算來拯救的問題。而量子霸權實現之后,是否一定能夠推動AI發展,在目前更多是未知數。我們都期待量子與智能的美好(或者可怕)邂逅,但現在討論這些還為時尚早。

量子計算機的發展,確實向我們展示了一個類似《流浪地球2》中的夢境:一臺小小的設備,算天算地,無所不能。但現在這個夢還非常朦朧,需要徐徐圖之。

眼前解決算力不足的難題,還是需要把已有算力聯合起來,組成共享、共用、共治的算力網絡。這是云計算的邏輯出發點,也是東數西算所謀劃的未來。

MOSS尚且遙遠,還是需要人類聯合起來解決問題——這或許也符合《流浪地球2》的精神內核。

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