一文帶你認(rèn)識“量子計算”

一文帶你認(rèn)識“量子計算”目前，量子計算、人工智能與區(qū)塊鏈?zhǔn)钦麄€信息技術(shù)行業(yè)中最重要的三大基礎(chǔ)技術(shù)。在將來，要使信息技術(shù)真正能夠得到跨越發(fā)展，必須重視基礎(chǔ)科學(xué)，既需要物理學(xué)，又需要數(shù)學(xué)，因為物理和數(shù)學(xué)跟信息技術(shù)革命有緊密的聯(lián)系。現(xiàn)代很多有意思的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，都跟哲學(xué)觀念的改變有所關(guān)聯(lián)，包括中華民族那些根深蒂固的古老哲學(xué)觀念。比如，好像世界從來都是正負(fù)對立的世界，有正數(shù)必有負(fù)數(shù)，有陰必有陽，有善必有惡。這種對立的世界觀，在基本粒子的物理世界里也有呈現(xiàn)。歷史上曾有一位非常偉大的理論物理學(xué)家狄拉克，他把愛因斯坦的狹義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來，在統(tǒng)一的過程中他做了一個非常簡單的數(shù)學(xué)運算，開了一個根號。在開根號的時候，始終會出現(xiàn)正負(fù)兩個解，一般人可能只關(guān)心“正解”，不關(guān)心“負(fù)解”。狄拉克把“負(fù)解”解釋成所有的粒子必然有反粒子，并預(yù)言所有的粒子必然有反粒子。1928年的時候，物理界并沒有發(fā)現(xiàn)反粒子，大家都對他提出非常大的質(zhì)疑，說他的方程肯定不對。他堅持自己的方程是對的。過了5年，他非常幸運，果然在宇宙輻射的射線里面，物理學(xué)家找到了電子的反粒子，就是正粒子，命名為狄拉克海。此后，基本粒子物理了有質(zhì)子找到了反質(zhì)子，有中子也找到了反中子，并且得到了應(yīng)用。比如正電子在醫(yī)療領(lǐng)域里面已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，有一種醫(yī)療測試叫PET，利用正電子和負(fù)電子可以成像，要測阿爾茲海默癥，最好的辦法就是做PET?？茖W(xué)發(fā)展最大的驅(qū)動力是什么？是對生活的好奇心。歷史上的理論物理學(xué)家，如牛頓，在蘋果樹底下，蘋果掉下來激發(fā)了他的靈感，萬有引力就發(fā)現(xiàn)了。愛因斯坦在坐電梯的時候，感覺到電梯的上下和引力的作用非常相似，由此創(chuàng)造了偉大的廣義相對論。另外，科學(xué)的發(fā)展應(yīng)該不迷信權(quán)威。狄拉克成為非常有名的理論物理學(xué)家后，科學(xué)家都非常堅信在世界上有粒子，必然有反粒子。但另外一位偉大的理論物理學(xué)家馬約拉納，他出于好奇心，問世界上會不會有一些粒子并沒有反粒子？他發(fā)明了馬約拉納方程，這個方程奇妙地描寫了有一種粒子沒有反粒子，或者它自己就是自己的反粒子。后來，整個物理學(xué)界都在找夢寐以求的兩個粒子，一個粒子叫“上帝粒子”，2012年在歐洲的加速器中找到，預(yù)言它的那位物理學(xué)家希格斯得了諾貝爾獎，還有一個就是“馬約拉納費米子”。理論物理學(xué)家的工作一般是作出預(yù)言，讓實驗物理學(xué)家來測試。專家的實驗小組在2010年的時候就預(yù)言了在一個組合型的器件里面可以找到馬約拉納費米子。不過專家們還需要找到一個信號能夠證明這種粒子的存在。馬約拉納粒子只有一面，沒有反面，所以在某種意義上它是通常粒子的一半。專家們理論小組做了大膽的預(yù)言：既然馬約拉納粒子跟通常粒子不一樣，在某種意義上它只是通常粒子的一半。所以它的電導(dǎo)率會不一樣，通常的粒子電導(dǎo)率是0、1、2、3整數(shù)倍，它必然會導(dǎo)致半整數(shù)倍的電導(dǎo)臺階。專家們預(yù)言它會有0.5或1/2的臺階。后來專家們理論小組就和實驗小組做了一個緊密的合作，做了實驗觀察，的確在0.5的地方，大家可以看到是實驗的原始圖案，在0.5的地方出現(xiàn)了臺階，證明了馬約拉納費米子的存在。專家們?nèi)∶麨椤疤焓沽Ｗ印保蠹曳浅Ｏ矚g這個名字?，F(xiàn)在的計算機已經(jīng)分成兩類，經(jīng)典計算機和量子計算機。有些問題經(jīng)典計算機就很容易解決，比如把兩個大的數(shù)乘起來，經(jīng)典計算機可以算得很快。但一個數(shù)看能不能拆成另外兩個數(shù)的乘積，比如15可以寫成3乘以5，這個數(shù)比較小的話你自己也可以算出來。但是給你一個很大的數(shù)，經(jīng)典的計算機要算這個數(shù)到底是不是兩個數(shù)的乘積需要花很長的時間，因為它用的算法是窮舉法，把所有可能被除的數(shù)一個個除過來，最后才能確認(rèn)這到底是不是兩個數(shù)的乘積，經(jīng)典計算機算起來非常慢。經(jīng)典計算機只能用窮舉法，最后才算出一個答案。但量子世界是非常神奇的世界，是平行的世界。比如一個著名的試驗，如果專家放出一個粒子，比如光子，它有兩個孔，要不是左邊，要不是右邊。但是量子世界有一種本真的平行在里面，一個基本粒子在某一個瞬間同時穿過了兩個孔。要么是左，要么是右的話，圖像就不是顯示的圖像。量子的世界本身是平行的。如果用量子世界來做計算的話就能夠秒算，把所有的可能性一下子算出來，因為量子世界有它本真的平行性，這是量子計算最基本的概念。但是要真正造出這個量子計算機是非常困難的，比如最基本的單位，經(jīng)典計算機最基本的單位是比特，就是信息要不是0就是1，用0、1就能夠表達(dá)所有的信息，這是經(jīng)典計算機的概念。但在量子世界里面，一個粒子同時穿過左孔，又穿過右孔，處在某一種疊加的狀態(tài)。一個量子比特講不清是0還是1，它是處在0和1疊加的狀態(tài)里面。大家聽一個比喻，薛定諤貓就處在死和活的疊加狀態(tài)里面。這是一種非常奇妙的現(xiàn)象。但是由于這種基本的現(xiàn)象，說明一個量子的比特本身是不太穩(wěn)定的，你去觀察一下周圍就知道它要不就是在左邊，要不就是在右邊，要不是0，要不就是1，任何一個噪聲就會對量子比特產(chǎn)生很大的干擾。但天使粒子的發(fā)現(xiàn)根本改變了量子計算機研發(fā)的困境，這是從量變到質(zhì)變的過程。量子比特本身自帶糾錯的能力，就是專家把通常一個量子比特能夠拆分成兩個天使粒子的。通常的粒子有兩面，天使粒子只有一面，所以天使粒子通常只相當(dāng)于一個粒子的一半。所以通常一個量子比特就可以用兩個天使粒子來儲存它。一旦用了兩個粒子儲存它，它們在遙遠(yuǎn)的地方，它們相互是有糾纏的。在經(jīng)典世界里面的噪音，它們相互之間是沒有糾纏的，這樣的話就沒法用噪聲來破壞由天使粒子所儲存的量子，所以這是一個革命性的改變。天使粒子是激動人心的發(fā)現(xiàn)，用來做量子計算機是多少比特就多少比特，不用附加糾錯的比特，自帶糾錯功能，這會對量子計算機的研制起到突飛猛進的作用。人工智能作為一個基本概念，20世紀(jì)60年代就已經(jīng)提出來。今天人工智能能夠有突飛猛進的發(fā)展，主要是很多新技術(shù)的匯總。根據(jù)摩爾定律的迭代，每過18個月能夠翻倍，如果用量子計算的話，就不只是按摩爾定律18個月翻倍，而是完全從量變到質(zhì)變。這些年來，人類計算能力不斷增長?；ヂ?lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的誕生，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。智能算法有突飛猛進的變化。大數(shù)據(jù)能幫機器學(xué)習(xí)。不過，人工智能的基礎(chǔ)是各種數(shù)據(jù)，再好的算法，再強大的計算機沒有數(shù)據(jù)的話也無法成為人工智能。人工智能，現(xiàn)在雖然看到了它在突飛猛進，但專家覺得還處在非常早期。做一個簡單的類比，比如專家們曾經(jīng)看到鳥飛，人也非常想飛，但早期學(xué)習(xí)飛行只是簡單仿生，在人類的手臂上綁上翅膀，這就是簡單的仿生，但真正達(dá)到飛行的境界是由于人類理解了飛行的第一性原理——空氣動力學(xué)，有了物理原理和數(shù)學(xué)方程之后就可以人為設(shè)計最佳的飛行器，現(xiàn)在的飛機飛得又高又快又好，但并不像鳥，這是非常核心的一點?，F(xiàn)在人工智能多是在簡單地模仿人的神經(jīng)元，但專家們更應(yīng)該思考的，是在這里面有一個基礎(chǔ)科學(xué)重大突破的機會，專家們要真正去理解那個智慧和智能的基本原理，這樣才能真正使人工智能有根本性的變化。到底用什么樣的依據(jù)能夠真正衡量人工智能達(dá)到人的標(biāo)準(zhǔn)？有人可能聽說過圖靈測試，圖靈測試是說人跟機器對話，但不知道對方到底是人還是機器。整個對話的過程中，你如果花了一天的時間根本感覺不出來，那就說明機器人好像已經(jīng)達(dá)到人的水平。雖然圖靈是一個偉大的計算機科學(xué)家，但專家并不贊同這個判斷方法。人的很多情感并不是理性的情感，要讓一個理性的機器學(xué)一個非理性的人的大腦可能并不是那么容易。智能機器人哪一天真正擁有超越人的智力？最偉大的一點，就是專家們能夠有科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，哪一天機器人真能夠做科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，那一天機器就超過人了。在今天的世界，個人會產(chǎn)生出很多數(shù)據(jù)，個人的基因數(shù)據(jù)、醫(yī)療數(shù)據(jù)、教育數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)等，這是發(fā)展人工智能特別需要的。很多數(shù)據(jù)都是掌握在中心機構(gòu)里面，沒有達(dá)到真正的去中心化。區(qū)塊鏈的產(chǎn)生，能夠產(chǎn)生一個去中心化的數(shù)據(jù)市場。專家把區(qū)塊鏈的整個理念用一句話來描寫，叫“InMathwetrust”，這種理念是建筑在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的。整個區(qū)塊鏈和整個信息技術(shù)領(lǐng)域里面最基礎(chǔ)的東西，是基礎(chǔ)數(shù)學(xué)，是能在數(shù)據(jù)市場里面保護個人隱私，又能夠做出合理的統(tǒng)計性的計算。比如有一種非常神奇的計算方法叫零知識證明，它能夠向你證明專家的數(shù)據(jù)是非常有價值的，但又不告訴你真正隱私的數(shù)據(jù)在哪兒。有了區(qū)塊鏈之后，數(shù)據(jù)市場能夠使社會變得更加公平。現(xiàn)代社會最大的不公平是人們?nèi)菀灼缫曇恍┥贁?shù)派。但在機器學(xué)習(xí)的過程中最需要的就是那些少數(shù)派擁有的數(shù)據(jù)。如果今天機器學(xué)習(xí)的精準(zhǔn)率達(dá)到90%了，使90%提高到99%，它需要的不是已經(jīng)學(xué)過的數(shù)據(jù)，而是跟以前不一樣的數(shù)據(jù)。往往是少數(shù)的數(shù)據(jù)對機器學(xué)習(xí)來講是最有價值的。一旦專家們的數(shù)據(jù)建筑在區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上，再加上這些奇妙的數(shù)學(xué)算法之后，專家們就能夠擁有良性的數(shù)據(jù)市場。在這個世界里面，達(dá)成區(qū)塊鏈和人工智能互相共存的理念，它們是會最有價值的。整個區(qū)塊鏈，大眾對它的認(rèn)識還不是最根本的第一性原理認(rèn)識。用最基本的物理學(xué)原理來講，達(dá)成共識就好比大家都同意同一個“賬本”，相當(dāng)于在物理學(xué)里面，磁鐵本來是雜亂無章的，但到了鐵磁態(tài)里面它們指向的方向都是同一樣的。達(dá)成共識在自然世界里面也有，這種現(xiàn)象叫熵減的現(xiàn)象。達(dá)成共識，大家都朝一個方向的話，這個狀態(tài)的熵遠(yuǎn)遠(yuǎn)比雜亂無章的熵要小。達(dá)到這個共識是非常難的，因為熵總是在增的。在區(qū)塊鏈上能達(dá)到一個共識系統(tǒng)都是用一種算法，需要消耗能量。這件事情聽起來不合理，賬戶為什么要耗費能量，但從物理學(xué)第二定理來講，這是非常合理的一件事情，因為達(dá)成共識本身是熵減，但整個世界的熵一定要增加，所以在達(dá)成共識的同時一定要把另外一些熵排除出去。這種沒有中心化的機制跟自然世界里面磁鐵從雜亂無章的狀態(tài)達(dá)到有序的鐵磁狀態(tài)非常相像，消耗能量付出代價也是必然的趨勢。所以理想的信息世界，是未來每個人擁有自己所有的數(shù)據(jù)，完全去中心化的儲存，這樣黑客也不可能黑每個人的數(shù)據(jù)。然后用一些加密的算法在區(qū)塊鏈上真正能夠達(dá)到既保護個人的隱私，又能夠做出良好的計算，不會發(fā)生像Facebook中很多個人的數(shù)據(jù)被盜用那樣的事情。專家們要解決的量子計算、人工智能、區(qū)塊鏈技術(shù)的問題，都是整個人類的問題，中國科學(xué)家會面臨非常大的機遇，除了要把應(yīng)用科技做好，還應(yīng)該有真正原創(chuàng)的基礎(chǔ)科學(xué)突破，比如上述介紹的物理和數(shù)學(xué)原理，盡管這些東西聽起來比較抽象，比如熵增原理，正負(fù)電子。世界的奇妙，正在于基礎(chǔ)科學(xué)能夠給整個信息技術(shù)行業(yè)提供廣闊的全新發(fā)展前景。在物理學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位被稱為“基本粒子”。它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)。根據(jù)粒子物理的定義，物質(zhì)由費米子和玻色子兩種基本粒子組成，分別以美國物理學(xué)家費米和印度物理學(xué)家玻色的名字命名。費米子是構(gòu)成物質(zhì)的原材料，如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子；玻色子是傳遞作用力的粒子，如光子、介子、膠子、W和Z玻色子。馬約拉納費米子（Majoranafermion）是費米子的一種，其獨特之處在于，它是一個沒有反粒子，或者說反粒子就是其自身的粒子。發(fā)現(xiàn)馬約拉那費米子是繼發(fā)現(xiàn)“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑發(fā)現(xiàn)，以上物質(zhì)和磁單極、暗物質(zhì)等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。這次發(fā)現(xiàn)不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應(yīng)用價值：讓量子計算成為現(xiàn)實。馬約拉納費米子能夠用于構(gòu)造穩(wěn)固的拓?fù)淞孔佑嬎銠C。量子世界本質(zhì)上是并行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。所以量子計算機能夠進行高度并行的量子計算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計算機有效。然而，一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環(huán)境噪聲都能夠引起退相干從而毀滅其量子特性。馬約拉納費米子沒有反粒子，或者說相當(dāng)于半個傳統(tǒng)粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個