未来将来：人工智能量子计算机终将从“科幻”走向“现实”

近日上映的科幻巨作《流浪地球2》中，拥有超强算力和自我意识的人工智能量子计算机MOSS让人惊叹。这台维系人类社会生存的“唯一核心工具”决定了人类的命运。影片中，MOSS满足上万台行星发动机的协同运作，支持“数字生命计划”所需的巨量算力。人工智能量子计算机作为人类未来最强大的生产工具，其科学性与现实性如何？未来又将给人类带来怎样颠覆性的影响？

人类与生产工具: “劳动创造人类”

人类与生产工具结合的历史贯穿人类智慧物种的进化史和文明史。生产工具是人们在生产过程中用来直接对劳动对象进行加工的物件，起着传导劳动的作用。制造和使用生产工具是人区别于其他动物的标志，是人类劳动过程独有的特征。在工具的制造与使用中，人类大脑得到快速开发，使人类成为区别与其他动物的重要标志。生产工具的演变历史贯穿整个人类文明。每一次的工具变革都凝结着人类的创造性劳动与智慧结晶，推动着人类社会生产方式的进步。

在近万年的进化史上，人类的劳动工具经历几次重大的变革：石器——让人类双手得到延申，弥补了肢体机能不足；火种——让人类消化系统得到增强，延长了人类寿命；青铜和铁——让人类从完全依赖碳氢氧元素的物种走向能够利用全元素周期表的智人；文字和纸张——让人类感官极限得以突破，使知识与文化跨越时空传播成为可能；蒸汽机——让人类社会不再依赖辅酶三磷酸腺苷ATP提供的生物力作为主要能源；电力和电气——让人类走进微观世界的大门，成为第一个可有意识利用电磁场的生物；电子计算机——让人类大脑智能极大增强，拓展了信息记忆、处理等思维能力。从历史发展的长河来看，这些生产工具的变革在悄然中改变了人类社会形态。因此，马克思睿智地指出：“手推磨产生的是封建主为首的社会，蒸汽磨产生的是工业资本家为首的社会。”

刀耕火种与铁犁牛耕的原始劳作、珍妮纺纱机的诞生与蒸汽机的改良开始极大解放人类双手，整个人类社会迎来机器大生产的工业革命时代。当下，以智能化为核心的人类第四次工业革命，正以前所未有的态势席卷而来，改变着人类生活中的各个领域。

伴随着人工智能、量子计算的技术发展与变革，人工智能和量子计算机登上了时代舞台，它们的结合正在逐步释放人类大脑的无限潜能，推动人类智能的延申。我们是否可以猜想具备人工智能的量子计算机将有可能让人类成为不依赖生物大脑工作的宇宙新物种？

什么是人工智能？

人工智能 (AI) 是一门研究计算机如何实现人类智能的科学。它涉及到计算机程序如何处理大量数据、识别模式、学习、推理、决策等问题，以达到与人类相似的智能表现。近年来，人工智能技术的发展迅猛，已在计算机视觉、自然语言处理、机器翻译等方面都取得了先进的科研成果。人工智能技术的广泛应用已惠及诸多行业，如语音识别、图像识别、自动驾驶汽车、机器人、智能家居等。

什么是量子计算？

利用量子叠加或纠缠特性，并基于线性代数希尔伯特空间的矩阵变换进行计算的技术被称之为量子计算。与之对应，利用二进制的数字信号，并基于布尔代数，来进行运算的技术被称之为经典计算。虽然经典计算能够实现很多复杂算法，但它的效率受限于构成计算机的晶体管数目规模。

量子计算是一项颠覆性的计算技术，具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力，能够在特定复杂问题上实现指数级计算加速。由于量子态具有叠加特性，它所携带的信息可以处于0和1之间的叠加态，这使得量子比特可以携带比经典比特更多的信息。利用这种特性运行的量子算法，就可以在很多复杂算法问题上超越经典计算的效率，帮助我们解决一些过去经典计算难以解决的复杂问题。对于部分复杂问题以现有的超级计算机可能要花费数十年乃至数万年才能解决，而量子计算机可以在数小时内就能给出可信的结果。

人工智能+量子计算 碰撞出怎样的火花？

灵感与智慧的碰撞会产生思维的火花，量子与人工智能的碰撞将加速时代的智能化进程。在学科和理论层面，量子人工智能属于量子计算与人工智能的交叉学科。在实际应用层面，量子计算与人工智能的技术融合将重新定义人类文明。

拉动人工智能发展的三驾马车分别是数据、算力与算法。数据为AI技术的生长提供了一片沃土，算力是人工智能技术发展与应用的重要推手，算法则为人工智能提供了技术底座。

人工智能系统通常依赖大量数据执行任务并决策，量子计算可以为人工智能提供强大的算力支持。在处理庞大数据和解决复杂数据集的分类问题时，经典计算遍历搜索的运算模式往往事倍功半。反观量子计算，其并行计算的运算模式是事半功倍。量子计算机能同时访问数据库中的所有项、搜索庞大未分类的数据集，并以极快的速度发现数据规律或异常。在人工智能行业中，高算力人工智能芯片是人工智能发展的必要条件。正是人工智能技术的高算力需求，为量子计算与人工智能的技术融合趋势提供了良好的发展契机。

算法是人工智能的最底层框架，量子计算可以强化人工智能算法预测的准确性。例如，在量子计算算力加持下的人工智能算法能分析大量药物分子数据，以识别潜在的药物靶点，并准确预测不同化合物的有效性。模拟药物和蛋白质之间相互作用也需要经过大量计算。通过量子计算机执行这些模拟操作，药物发现的准确性将大幅提高。未来理想的通用量子计算机可以同时执行数十亿个操作，快速为人工智能解决高度复杂的问题。

由量子计算机驱动的人工智能技术将会触及每个行业。如量子自然语言处理（QNLP）技术可以创建语音控制的对话代理并应用于语音助手；人工智能量子算法可以快速改进自动驾驶系统；人工智能量子模拟技术提高候选药物的准确性以降低巨额研发成本。量子与人工智能的技术融合还将广泛应用于药物研究、分子化学、蛋白质折叠模拟等研究领域，投资组合优化、量子期权定价、股票时序预估等金融领域，航空动力、交通规划等多领域。量子计算与人工智能的结合将会发挥出经典计算无法比拟的技术优势。

量子计算的发展现状如何？

在《流浪地球2》中，具有超强算力的人工智能量子计算机MOSS展现出无可比拟的超强算力，赚足了观众的眼球。但在现实世界中，量子计算机还需科学家们长时间潜心钻研才有可能实现科幻片里所呈现的强大功能。

量子计算的发展有三个阶段：第一阶段，通用量子计算机的原型机；第二阶段，中规模含噪声量子计算机（NISQ）；第三阶段，大规模可容错通用量子计算机。当前整个量子计算产业仍处于中规模含噪声量子计算机（NISQ）的初级阶段。

近年来，量子计算技术与产业加速发展，许多公司和研究机构推出了商业化的量子计算机，并在量子优化、量子密码学、量子机器学习等领域取得重大的科研成果。然而，量子计算目前仍然面临着一些技术难题，例如量子计算芯片的稳定性和可靠性问题、量子算法的效率和复杂度问题等。未来，量子计算与神经网络技术结合、量子-经典混合计算、非厄米量子计算、分布式量子计算将会不断克服这些技术难题，为量子计算开拓更广阔的边界。

如果地球终将流浪，分布式离子阱量子计算机将是数万行星发动机的智能大脑

在“未来世界”，随着地球的生态环境日渐恶化，毁灭性的灾难随时降临。在这种复杂且恶劣的环境中，哪种人工智能量子计算机才是“拯救地球”的最佳方案？一般认为，这种量子计算机需要具有分布式的特征，这样才能提高其生存和适应能力。目前在离子阱、超导、光量子、半导体量子点等多种技术路线中，离子阱技术具有良好的分布式特征，它可以实现“物质比特-可见光子”纠缠，通过光子传输，实现多台量子计算机组网并发挥作用。采用分布式离子阱技术的人工智能量子计算机的独特优势如下：

01

理论算力可无限扩展

如果未来地球仅由一台人工智能计算机控制，那就要求其算力扩展不受限制，以满足不断增加的控制对象对超大算力的需求。理论上，分布式量子计算机可以通过增加算力节点来无限扩展算力。

02

分布式可最大限度提升算力安全保障

分布式技术可将较为复杂的计算任务分解成若干子任务，再通过光子互联的方式分发给若干小规模量子计算单元机，最终实现与较大规模的量子计算机相同的计算效果。假如某一区域的突发灾难导致分布式量子计算机的某一个单元机遭受破坏，也将不会影响分布式量子计算机整体的运算任务，“流浪地球”的“拯救计划”依然可以顺利进行。

03

光子互联可实现节点间的光速同步

囚禁离子与可以发射出的光子实现纠缠，发射出的光子直接上行到光纤网络中，将量子比特信息传输到不同的量子计算单元机，完成对复杂计算任务的分布式计算。

那么这种分布式的离子阱量子计算机是否存在呢？目前全球以离子阱为主要技术路线的量子计算公司不在少数。比如美国的IonQ以发展高集成度的芯片离子阱为主要特色，Honeywell以深厚的工业制造积累和控制技术为主要特色，英国的Universal Quantum以构建可扩展离子阱量子计算机为主要特色。而在中国，启科量子作为世界首家以分布式技术为主攻方向，研发离子阱量子计算机的高科技企业，近期发布了国内首台离子阱量子计算工程机“天算1号”。

启科量子计算研发副总裁韩琢表示：“启科量子将利用独有的分布式技术，在天算1号的基础上，进一步着力发展以“离子-光子”纠缠为基础的分布式技术，实现多台量子计算机组网，发挥优势实现数千量子比特的分布式运算，并在可见的未来实现分布式量子计算网络，使得利用百万级别的量子比特来实现通用量子计算成为可能。”

图：天算1号工程机外观图

结语——

在《流浪地球2》的片尾，维系着人类生存的MOSS指引了未来的答案：“从历史上看，人类的命运取决于人类的选择”。面对行星对撞危机的命运，航天员刘培强最终舍身“选择了希望”。而面对量子计算机与人工智能结合的未来，人类又将做出何种选择？这将是摆在全人类面前的科技与时代之问。