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人工智能、量子计算是整个人类的问题

文=张首晟

我讲3个题目:量子计算、人工智能与区块链。我认为这是在整个IT行业中基础科技里最重要的3个模块。我首先讲量子计算,跟大家分享一个科学发现的故事。

 

发现了天使粒子

 

很多比较有意思的科学发现都跟哲学观念的改变有所关联,最根深蒂固的哲学观念就是中华民族的古老哲学上体现出来的——好像世界从来都是正负对立的,有正数必有负数,有存款必有贷款,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有魔鬼。所以这种对立的世界观在基本粒子的物理世界里面也有一种呈现。

 

曾经有一位非常伟大的理论物理学家狄拉克,他和爱因斯坦、杨振宁是我认为20世纪做出最伟大贡献的3位物理学家,他把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学统一起来,在统一的过程中他要做一个非常简单的数学运算,就是开一个根号。

 

在开根号的时候始终会出现正负两个解,一般人可能只关心正解,不关心负解。但是狄拉克很聪明,他把负解解释成所有的基本粒子有粒子必然有反粒子。

 

这在当时是非常惊人的预言。1928年还没有发现反粒子,大家都对他提出非常大的质疑,说他这个方程肯定不对,世界上肯定没有看到反粒子。他说“我的方程实在是太美了,你们继续去寻找”。他非常幸运,仅过了5年,大家就在宇宙辐射的射线里找到了电子的反粒子,就是正粒子,命名为狄拉克海。

 

最近好莱坞对科学前沿发展非常感兴趣,所以有些好莱坞大片都是跟科学发现有关。大家可能都看过一个电影叫《达芬奇密码》,有一个系列片叫《天使与魔鬼》,讲的就是有天使必然有魔鬼,有粒子必然有反粒子。恐怖分子到欧洲的实验加速器里面偷出来一百万分之一克的反粒子就可以做成炸弹,它的威力相当于4吨TNT的威力,这是人类能量储存密度最高的办法。

 

今天中国对科学发展非常关心,可能大家会问我科学发展最大的驱动力是什么?我会毫不迟疑地回答:这是一种好奇心的驱动。

 

牛顿因苹果掉下来激发了他的灵感,万有引力就被发现了。爱因斯坦在坐电梯的时候感觉到电梯的上下和引力的作用非常相似,由此创造了伟大的广义相对论。当时,狄拉克已经成为非常有名的理论物理学家,大家都非常坚信在世界上有粒子必然有反粒子。但是另外一位理论物理学家Majorana完全出于好奇心,他问世界上会不会有一些粒子并没有反粒子?他果然又找到了一个方程,现在以他的名字叫Majorana方程,这个方程奇妙地描写了有一种粒子没有反粒子,或者它自己就是自己的反粒子。他的文章发表之后并没人理他,因为所有的反粒子都找到了,所以他没有像狄拉克那么幸运。Majorana也感到自己的人生非常失落,在意大利的一个港口城市上了渡轮,本来想去西西里岛,但是从此之后没有了踪迹。

 

这就成了整个物理学的两个大谜团,一个是粒子有没有存在——我们称它为Majorana费米子,它没有反粒子,只有它自己或者它自己就是自己的反粒子。另外就是Majorana本人也是非常大的谜,他好像泄露天机之后就被天使叫去了。

 

在整个物理学界有一个所有人梦寐以求都想寻找的名单,这其中包括大家可能听说过的上帝粒子,2012年在欧洲的加速器被找到,预言它的那位物理学家希格斯也得了诺贝尔奖。

 

我们前年找到了引力波,这也是爱因斯坦100年前预言的现象。另外我们也想找磁单极等。在这份梦寐以求的名单中,Majorana费米子的确是大家梦寐以求的目标,但整整找了80年还无果。

 

我是做理论工作的,我现在经常要接待很多国内的访问团来到斯坦福大学,他们都说“我想参观一下你的实验室”,我会告诉大家我的实验室就是一张纸和一根笔,但是我非常自豪。理论物理学家会作出预言,让实验物理学家来测试。

 

我的实验小组在2010年时就预言了在哪个系统里面会找到这样一个神奇的粒子,我们预言在这么一个组合型的器件里面可以找到Majorana费米子。但就是找到也没有用,就是系统有也不是完全有用,一定要告诉大家是怎样一个信号真正说明这种神奇粒子的存在。任何一个粒子,没有人可以用肉眼观测到,我们总是要找到一个信号,什么信号能够证明这种粒子的存在,也需要进一步的灵感。

 

有一天,我想既然基本的粒子有两种,有正面有反面,就像硬币有正面有反面,但是Majorana费米子只有一面,没有反面,所以在某种意义上它是通常粒子的一半。但是通常粒子在电导是台阶性的量子化,要不是0,要不是1,要不是2等。所以我们理论小组做了大胆的预言,既然Majorana费米子跟通常粒子不一样,在某种意义上它只是通常粒子的一半;而通常的粒子电导率是0、1、2、3的整数倍,那么Majorana费米子的电导率必然会导致半整数倍的电导台阶,也就是会有0.5或1/2的台阶。

 

后来我们理论小组就和实验小组做了一个紧密的合作。实验小组来自UCLA、UC DavisUC Irvine,他們做了一个实验,的确在0.5的地方可以看到实验的原始图案并出现了台阶,铁证如山地证明了Majorana费米子的存在。

 

这是一个激动人心的时刻!2017年7月,我们准备向全世界宣布这个激动人心的发现时,我又来了一个灵感,想到本来有天使必有魔鬼,但我们好像找到了一个只有天使没有魔鬼、只有正没有负的粒子,所以我们将它取名为”天使粒子”,大家非常喜欢这个名字。

 

前段时间,美国物理学会召开了一个每年最大的会议,邀请我作一个主题报告,就是在引力波发现之后的“天使粒子”发现报告,差不多有好几千人参加,大家都觉得这是物理学里面非常振奋人心的发现。

 

但是这跟IT峰会有什么关系?IT峰会最关心的是计算机,计算机已经分成两类,有经典计算机和量子计算机。有些问题,经典计算机很容易解决,比如把两个大的数乘起来,经典计算机可以算得很快。

 

看一个数能不能拆成另外两个数的乘积,比如15=3×5,这个数比较小,你自己也可以算出来。但是给你一个很大的数,经典的计算机要算这个数到底是不是两个数的乘积需要花很长的时间,因为它用的算法是穷举法,把所有可能被除的数一个个除过来,最后才能确认这到底是不是两个数的乘积,经典计算机算起来非常慢。

 

今天人工智能要做的事情,是整个人类所有计算的事情最终能转化为优化的问题,有很多的可能性,我们要找到最佳的可能性,经典计算机只能用穷举法,最后才算出一个答案。但是量子世界是非常神奇的世界,是平行的世界。比如一个著名的试验,如果我放出一个粒子,比如光子,它有左右两个孔。我要打一个炮弹过去,要不就是从左边穿过要不就是从右边穿过,不可能在同一个时间既穿过左边又穿过右边。但是量子世界有一种本真的平行在里面,一个基本粒子在某一个瞬间同时穿过了两个孔,只有这种行为才能解释在后面形成的干扰条纹。假定要么是左要么是右的话,看起来的图像就不是这个显示的图像。量子的世界本身就是平行的。如果用量子世界来做计算的话就能够秒算,把所有的可能性一下子算出来,因为量子世界有它的平行性,这是量子计算最基本的概念。

 

要真正造出这个量子计算机非常困难。比如经典计算机最基本的单位是比特,用0、1就能够表达所有的信息;但在量子世界里,一个粒子同时穿过左孔和右孔,处在某一种叠加的状态时,一个量子比特讲不清是0还是1,它是处在0和1叠加的状态里面。

 

这种基本的现象说明一个量子的比特本身是不太稳定的,你去观察一下周围就知道它要不就是在左边,要不就是在右边,要不是0,要不就是1,任何一个噪声都会对量子比特产生很大的干扰。

 

最近量子计算机成为全球和美国著名公司特别关注的焦点,谷歌、微软、IBM,英特尔都在做投资,但不能从根本上解决这个问题,其研发就很困难。一个量子比特是非常不稳定的,如果哪天我们做了50量子比特,关键还要看有用的比特是多少,如果只有一个有用的比特,在量子计算的框架下,往往需要10个、20个甚至40个、50个纠错的比特来为它服务。这使得量子计算很难真正实现。

 

但是天使粒子的发现使这一切根本改变了。这是量变到质变的过程,并不是把量子比特做的越多越好,量子比特本身自带纠错的能力,即通常一个量子比特能够拆分成两个天使粒子。

 

我刚才一直在讲基本概念,通常的粒子有两面,天使粒子只有一面,所以天使粒子通常只相当于一个粒子的一半。所以通常一个量子比特就可以用两个天使粒子来储存它。一旦用了两个粒子储存它,它们在遥远的地方相互纠缠。但经典世界里面的噪音相互之间没有纠缠,这样就没法用噪声来破坏由天使粒子所储存的量子。这是一个革命性的改变。

 

天使粒子的发现是激动人心的,不用附加纠错的比特,自带纠错功能,这会对量子计算起到巨大的推动作用。

 

人工智能还处于早期

 

我接下来跟大家分享一下人工智能。人工智能也是一个基本概念,20世纪60年代就已经提出来。之所以今天人工智能能够有突飞猛进的发展,主要是3个大潮流的汇总。

 

根据摩尔定律的迭代,CPU的性能每过18个月能够翻倍,如果用量子计算的话,不只是按摩尔定律18个月翻倍,而是完全从量变到质变的,我们的计算能力在不断增长。另外,互联网和物联网的产生,造成大量的大数据,大数据能够帮机器真正学习。再好的算法、再强劲的计算机没有数据都不能达成最佳的人工智能。

 

整个人工智能,大家虽然看到它突飞猛进地在改变,但是我觉得它还是处在非常早期的阶段,今后的前景非常广阔。为什么这么讲呢?做一个简单类比,比如我们曾经看到鸟飞,人也非常想飞,但是早期学习飞行只是简单的仿生,我们在自己的手臂上绑上翅膀。真正达到飞行的境界是由于我们理解了飞行的第一性原理就是空气动力学,有了数学原理和数学方程之后就可以人为设计最佳的飞行,就是现在的飞机,飞得又高又快又好,但是并不像鸟,这是非常核心的一点。

 

可能现在人工智能是在简单地模仿人的神经元,但我们更应该思考的是,这里面有一个基础科学重大突破的机会,就是我们真正去理解智慧和智能的基本原理,基本的数学原理,这样真正能够使人工智能有突飞猛进的变化。

 

另外,大家经常问到底用怎样的判据能够真正衡量人工智能是否达到人的标准?大家可能听说过图灵测试,图灵测试是人跟机器对话,但是我们不知道在背面到底是人还是机器。整个对话过程中,你如果花了一天的时间根本感觉不出来,那就是说机器人好像已经达到人的水平。

 

虽然图灵是一个伟大的计算机科学家,但是我并不赞同这个判决。人也是在进化的,人的很多情感并不是理性的情感,要让一个理性的机器学一个非理性的人的大脑并不是那么容易,比如你故意激怒机器人,说不定它也不怎么理你。人最伟大的一点就是我们能够做科学的发现,我想提出一个新的、最好的判据,就是如果哪一天机器人真能够做科学的发现,到那一天机器就超过人类了。

 

最近我在人工智能方面写了一篇文章,将会在美国的科学院杂志上发表,题目叫“Atom2Vec”。人类最伟大的科学发现之一,有相对论、量子力学;而化学里最伟大的发现就是元素周期表。假定我们根本不知道元素周期表,今天的機器能不能自动发现元素周期表呢?也就是说,当我们把所有存在的化学元素的名字输入到算法里面,结果这个机器自然地发现了元素周期表,它可以做出人类认为最伟大的科学发现。这样,机器才真的达到了人的水平,在这种意义上,这机器才可以帮助我们发现新药,也可以用机器学习的办法发现新的材料。

 

区块链产生数据市场

 

接下来我再跟大家分享最后一个题目——区块链,人工智能在突飞猛进发展,但是人工智能最缺少的是数据,恰恰今天数据是处在完全中心垄断的状态中,不能帮助机器合理地学习。

 

如同大家在此之前听说的Facebook数据被盗事件一样,很多数据在没有被允许的情况下就被使用。在今天的世界,个人会产生很多的数据,如基因数据、医疗数据、教育数据、行为数据等。而这些数据都是掌握在中心机构里面,没有达到真正的去中心化。区块链的产生能够产生一个数据市场。所以我理想的世界是未来每人拥有自己所有的数据,这是完全去中心化的储存,这样黑客也不可能黑每个人的数据。然后再用一些加密算法,在区块链上就真正能够达到既保护个人的隐私,又能够做出良好的计算。所以我把今后区块链的整个理念用一句话来描写,叫“In Math we trust”——我们的信念建筑在数学上。

 

我今天报告的题目有一个核心的理念,就是要使IT真正能够发展,既需要物理学又需要数学。一旦我们建筑在区块链的基础上,再加上这些奇妙的数学算法,我们就能够真正达到数据市场。这个数据市场的产生,能够使得社会变得更加公平,现在社会最大的不公平是我们容易歧视一些少数派。但是在机器学习的过程中最需要的就是那些少数派所拥有的数据。如果今天机器学习的精准率达到了90%,想要让它再达到99%的话,它需要的不是已经学过的数据,而是需要跟以前最不一样的数据。这样的话我们才能够把一只丑小鸭真正变成一只美天鹅,因为丑小鸭并不是丑,只是跟别人不一样而已。

 

大家对区块链的认识还不是最根本的第一性原理的认识。用最基本的物理学原理来讲,达到共识就是大家都同意同一个账本,就相当于在物理学里面磁铁本来是杂乱无章的,但是到了铁磁态里面它们指向的方向都是同样的。所以达到共识在自然世界里面有,在今天的人文世界里面也有。这种现象叫熵减,达到共识,大家都朝一个方向的话,这个状态的熵远远比杂乱无章的熵要小。但达到这个共识是非常难的,因为熵总是在增的,今天你要把它减下去是很难的事情。在区块链上能达到一个共识系统都是用一种算法,在这上面是需要消耗能量的。

 

大家可能一開始不太理解为什么这件事情听起来不合理,一些账户为什么要耗费能量?从物理学第二定理来讲,这是非常合理的一件事情,因为达到共识本身是熵减,但整个世界的熵一定要增加,所以在达到共识的同时一定要把另外一些熵排除出去。这种没有中心化的机制跟自然世界里面磁铁从杂乱无章的状态达到有序的铁磁状态非常相像,付出的代价也是必然的趋势。

 

我另外想讲的是,我们在整个人工智能领域需要学界和产业界做紧密的联系,在学界有最好的物理、最好的数学和算法的发现和发明。

 

2018年1月8日,我非常荣幸在人民大会堂被授予了中华人民共和国国际科技合作奖。在我们整个世界中,科学是最无止境、最没有国界的,今天我们所要解决的人工智能、量子计算都是整个人类的问题。所以我们的眼光不要放在自己的局部,而是放眼全球。在这个过程中,中国也有一个非常大的机遇,中国除了把应用科技做得好,能不能有真正原创科技的产生也是很关键的一点。

 

今天跟大家介绍的这些都是最基本的物理和最基本的数学原理,这些原理听起来比较抽象,比如熵增原理、正负电子。但在最基本的层次上,这正是今天这个世界的奇妙所在,它能够给整个IT行业提供最基本的科学技术发展的前景。信息化周刊

 

摘自:《科学中国人·上半月》2018年7期

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