一文帶你認(rèn)識(shí)“量子計(jì)算”

一文帶你認(rèn)識(shí)“量子計(jì)算”目前，量子計(jì)算、人工智能與區(qū)塊鏈?zhǔn)钦麄€(gè)信息技術(shù)行業(yè)中最重要的三大基礎(chǔ)技術(shù)。在將來(lái)，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?yàn)槲锢砗蛿?shù)學(xué)跟信息技術(shù)革命有緊密的聯(lián)系?，F(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(lái)都是正負(fù)對(duì)立的世界，有正數(shù)必有負(fù)數(shù)，有陰必有陽(yáng)，有善必有惡。這種對(duì)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(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，在統(tǒng)一的過(guò)程中他做了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，開(kāi)了一個(gè)根號(hào)。在開(kāi)根號(hào)的時(shí)候，始終會(huì)出現(xiàn)正負(fù)兩個(gè)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(shí)候，物理界并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)反粒子，大家都對(duì)他提出非常大的質(zhì)疑，說(shuō)他的方程肯定不對(duì)。他堅(jiān)持自己的方程是對(duì)的。過(guò)了5年，他非常幸運(yùn)，果然在宇宙輻射的射線(xiàn)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(cè)試叫PET，利用正電子和負(fù)電子可以成像，要測(cè)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(dòng)力是什么？是對(duì)生活的好奇心。歷史上的理論物理學(xué)家，如牛頓，在蘋(píng)果樹(shù)底下，蘋(píng)果掉下來(lái)激發(fā)了他的靈感，萬(wàn)有引力就發(fā)現(xiàn)了。愛(ài)因斯坦在坐電梯的時(shí)候，感覺(jué)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(duì)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(jiān)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(wèn)世界上會(huì)不會(huì)有一些粒子并沒(méi)有反粒子？他發(fā)明了馬約拉納方程，這個(gè)方程奇妙地描寫(xiě)了有一種粒子沒(méi)有反粒子，或者它自己就是自己的反粒子。后來(lái)，整個(gè)物理學(xué)界都在找夢(mèng)寐以求的兩個(gè)粒子，一個(gè)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(jiǎng)，還有一個(gè)就是“馬約拉納費(fèi)米子”。理論物理學(xué)家的工作一般是作出預(yù)言，讓實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)測(cè)試。專(zhuān)家的實(shí)驗(yàn)小組在2010年的時(shí)候就預(yù)言了在一個(gè)組合型的器件里面可以找到馬約拉納費(fèi)米子。不過(guò)專(zhuān)家們還需要找到一個(gè)信號(hào)能夠證明這種粒子的存在。馬約拉納粒子只有一面，沒(méi)有反面，所以在某種意義上它是通常粒子的一半。專(zhuān)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(huì)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(huì)導(dǎo)致半整數(shù)倍的電導(dǎo)臺(tái)階。專(zhuān)家們預(yù)言它會(huì)有0.5或1/2的臺(tái)階。后來(lái)專(zhuān)家們理論小組就和實(shí)驗(yàn)小組做了一個(gè)緊密的合作，做了實(shí)驗(yàn)觀察，的確在0.5的地方，大家可以看到是實(shí)驗(yàn)的原始圖案，在0.5的地方出現(xiàn)了臺(tái)階，證明了馬約拉納費(fèi)米子的存在。專(zhuān)家們?nèi)∶麨椤疤焓沽Ｗ印?，大家非常喜歡這個(gè)名字。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)已經(jīng)分成兩類(lèi)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)。有些問(wèn)題經(jīng)典計(jì)算機(jī)就很容易解決，比如把兩個(gè)大的數(shù)乘起來(lái)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以算得很快。但一個(gè)數(shù)看能不能拆成另外兩個(gè)數(shù)的乘積，比如15可以寫(xiě)成3乘以5，這個(gè)數(shù)比較小的話(huà)你自己也可以算出來(lái)。但是給你一個(gè)很大的數(shù)，經(jīng)典的計(jì)算機(jī)要算這個(gè)數(shù)到底是不是兩個(gè)數(shù)的乘積需要花很長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)樗玫乃惴ㄊ歉F舉法，把所有可能被除的數(shù)一個(gè)個(gè)除過(guò)來(lái)，最后才能確認(rèn)這到底是不是兩個(gè)數(shù)的乘積，經(jīng)典計(jì)算機(jī)算起來(lái)非常慢。經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能用窮舉法，最后才算出一個(gè)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(gè)著名的試驗(yàn)，如果專(zhuān)家放出一個(gè)粒子，比如光子，它有兩個(gè)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(gè)基本粒子在某一個(gè)瞬間同時(shí)穿過(guò)了兩個(gè)孔。要么是左，要么是右的話(huà)，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(lái)做計(jì)算的話(huà)就能夠秒算，把所有的可能性一下子算出來(lái)，因?yàn)榱孔邮澜缬兴菊娴钠叫行裕@是量子計(jì)算最基本的概念。但是要真正造出這個(gè)量子計(jì)算機(jī)是非常困難的，比如最基本的單位，經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的概念。但在量子世界里面，一個(gè)粒子同時(shí)穿過(guò)左孔，又穿過(guò)右孔，處在某一種疊加的狀態(tài)。一個(gè)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(tīng)一個(gè)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(shuō)明一個(gè)量子的比特本身是不太穩(wěn)定的，你去觀察一下周?chē)椭浪痪褪窃谧筮叄痪褪窃谟疫?，要不?，要不就是1，任何一個(gè)噪聲就會(huì)對(duì)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(jì)算機(jī)研發(fā)的困境，這是從量變到質(zhì)變的過(guò)程。量子比特本身自帶糾錯(cuò)的能力，就是專(zhuān)家把通常一個(gè)量子比特能夠拆分成兩個(gè)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(gè)粒子的一半。所以通常一個(gè)量子比特就可以用兩個(gè)天使粒子來(lái)儲(chǔ)存它。一旦用了兩個(gè)粒子儲(chǔ)存它，它們?cè)谶b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(méi)有糾纏的，這樣的話(huà)就沒(méi)法用噪聲來(lái)破壞由天使粒子所儲(chǔ)存的量子，所以這是一個(gè)革命性的改變。天使粒子是激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，用來(lái)做量子計(jì)算機(jī)是多少比特就多少比特，不用附加糾錯(cuò)的比特，自帶糾錯(cuò)功能，這會(huì)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研制起到突飛猛進(jìn)的作用。人工智能作為一個(gè)基本概念，20世紀(jì)60年代就已經(jīng)提出來(lái)。今天人工智能能夠有突飛猛進(jìn)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(guò)18個(gè)月能夠翻倍，如果用量子計(jì)算的話(huà)，就不只是按摩爾定律18個(gè)月翻倍，而是完全從量變到質(zhì)變。這些年來(lái)，人類(lèi)計(jì)算能力不斷增長(zhǎng)?；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(jìn)的變化。大數(shù)據(jù)能幫機(jī)器學(xué)習(xí)。不過(guò)，人工智能的基礎(chǔ)是各種數(shù)據(jù)，再好的算法，再?gòu)?qiáng)大的計(jì)算機(jī)沒(méi)有數(shù)據(jù)的話(huà)也無(wú)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(jìn)，但專(zhuān)家覺(jué)得還處在非常早期。做一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)比，比如專(zhuān)家們?cè)?jīng)看到鳥(niǎo)飛，人也非常想飛，但早期學(xué)習(xí)飛行只是簡(jiǎn)單仿生，在人類(lèi)的手臂上綁上翅膀，這就是簡(jiǎn)單的仿生，但真正達(dá)到飛行的境界是由于人類(lèi)理解了飛行的第一性原理——空氣動(dòng)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(jì)最佳的飛行器，現(xiàn)在的飛機(jī)飛得又高又快又好，但并不像鳥(niǎo)，這是非常核心的一點(diǎn)?，F(xiàn)在人工智能多是在簡(jiǎn)單地模仿人的神經(jīng)元，但專(zhuān)家們更應(yīng)該思考的，是在這里面有一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)重大突破的機(jī)會(huì)，專(zhuān)家們要真正去理解那個(gè)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(tīng)說(shuō)過(guò)圖靈測(cè)試，圖靈測(cè)試是說(shuō)人跟機(jī)器對(duì)話(huà)，但不知道對(duì)方到底是人還是機(jī)器。整個(gè)對(duì)話(huà)的過(guò)程中，你如果花了一天的時(shí)間根本感覺(jué)不出來(lái)，那就說(shuō)明機(jī)器人好像已經(jīng)達(dá)到人的水平。雖然圖靈是一個(gè)偉大的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，但專(zhuān)家并不贊同這個(gè)判斷方法。人的很多情感并不是理性的情感，要讓一個(gè)理性的機(jī)器學(xué)一個(gè)非理性的人的大腦可能并不是那么容易。智能機(jī)器人哪一天真正擁有超越人的智力？最偉大的一點(diǎn)，就是專(zhuān)家們能夠有科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，哪一天機(jī)器人真能夠做科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，那一天機(jī)器就超過(guò)人了。在今天的世界，個(gè)人會(huì)產(chǎn)生出很多數(shù)據(jù)，個(gè)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(jī)構(gòu)里面，沒(méi)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(gè)去中心化的數(shù)據(jù)市場(chǎng)。專(zhuān)家把區(qū)塊鏈的整個(gè)理念用一句話(huà)來(lái)描寫(xiě)，叫“InMathwetrust”，這種理念是建筑在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的。整個(gè)區(qū)塊鏈和整個(gè)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(chǎng)里面保護(hù)個(gè)人隱私，又能夠做出合理的統(tǒng)計(jì)性的計(jì)算。比如有一種非常神奇的計(jì)算方法叫零知識(shí)證明，它能夠向你證明專(zhuān)家的數(shù)據(jù)是非常有價(jià)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(chǎng)能夠使社會(huì)變得更加公平?，F(xiàn)代社會(huì)最大的不公平是人們?nèi)菀灼缫曇恍┥贁?shù)派。但在機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)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(jī)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(guò)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(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)講是最有價(jià)值的。一旦專(zhuān)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(zhuān)家們就能夠擁有良性的數(shù)據(jù)市場(chǎng)。在這個(gè)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(huì)最有價(jià)值的。整個(gè)區(qū)塊鏈，大眾對(duì)它的認(rèn)識(shí)還不是最根本的第一性原理認(rèn)識(shí)。用最基本的物理學(xué)原理來(lái)講，達(dá)成共識(shí)就好比大家都同意同一個(gè)“賬本”，相當(dāng)于在物理學(xué)里面，磁鐵本來(lái)是雜亂無(wú)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(shí)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(shí)，大家都朝一個(gè)方向的話(huà)，這個(gè)狀態(tài)的熵遠(yuǎn)遠(yuǎn)比雜亂無(wú)章的熵要小。達(dá)到這個(gè)共識(shí)是非常難的，因?yàn)殪乜偸窃谠龅?。在區(qū)塊鏈上能達(dá)到一個(gè)共識(shí)系統(tǒng)都是用一種算法，需要消耗能量。這件事情聽(tīng)起來(lái)不合理，賬戶(hù)為什么要耗費(fèi)能量，但從物理學(xué)第二定理來(lái)講，這是非常合理的一件事情，因?yàn)檫_(dá)成共識(shí)本身是熵減，但整個(gè)世界的熵一定要增加，所以在達(dá)成共識(shí)的同時(shí)一定要把另外一些熵排除出去。這種沒(méi)有中心化的機(jī)制跟自然世界里面磁鐵從雜亂無(wú)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(jià)也是必然的趨勢(shì)。所以理想的信息世界，是未來(lái)每個(gè)人擁有自己所有的數(shù)據(jù)，完全去中心化的儲(chǔ)存，這樣黑客也不可能黑每個(gè)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(hù)個(gè)人的隱私，又能夠做出良好的計(jì)算，不會(huì)發(fā)生像Facebook中很多個(gè)人的數(shù)據(jù)被盜用那樣的事情。專(zhuān)家們要解決的量子計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈技術(shù)的問(wèn)題，都是整個(gè)人類(lèi)的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)家會(huì)面臨非常大的機(jī)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(tīng)起來(lái)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(gè)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(chēng)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(fèi)米子和玻色子兩種基本粒子組成，分別以美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)米和印度物理學(xué)家玻色的名字命名。費(fèi)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(fèi)米子（Majoranafermion）是費(fèi)米子的一種，其獨(dú)特之處在于，它是一個(gè)沒(méi)有反粒子，或者說(shuō)反粒子就是其自身的粒子。發(fā)現(xiàn)馬約拉那費(fèi)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(lèi)最為夢(mèng)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(jià)值：讓量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)。馬約拉納費(fèi)米子能夠用于構(gòu)造穩(wěn)固的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。量子世界本質(zhì)上是并行的，一個(gè)量子粒子能夠同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫。所以量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高度并行的量子計(jì)算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效。然而，一個(gè)量子比特的信息非常難以存儲(chǔ)，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(fèi)米子沒(méi)有反粒子，或者說(shuō)相當(dāng)于半個(gè)傳統(tǒng)粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個(gè)