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| 本文作者： 宗仁 | 2016-05-31 18:14 |
杜江峰，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院院長(zhǎng)。
16歲時(shí)保送中國(guó)科大少年班，本科畢業(yè)后即留校工作，同時(shí)攻讀研究生；28歲時(shí)開始進(jìn)軍當(dāng)時(shí)最新的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域，成為我國(guó)最早從事這項(xiàng)研究的科學(xué)家之一；接下來(lái)的近20年里，杜江峰一頭扎進(jìn)量子計(jì)算領(lǐng)域。
2002年，在國(guó)際上第一次成功地實(shí)現(xiàn)了量子博弈的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)中國(guó)國(guó)內(nèi)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究工作首次刊發(fā)在國(guó)際權(quán)威雜志《物理評(píng)論快報(bào)》上。
2009年，他帶領(lǐng)自己的科研團(tuán)隊(duì)做出的又一項(xiàng)重要成果產(chǎn)生了：首次在真實(shí)固態(tài)體系中實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)動(dòng)力學(xué)去耦，這項(xiàng)成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威雜志《自然》。
2015年，一項(xiàng)關(guān)于“量子探針”的成果驚艷世界：其團(tuán)隊(duì)利用鉆石中的氮-空位點(diǎn)缺陷作為“量子探針”，選取了細(xì)胞分裂中的一種重要蛋白為探測(cè)對(duì)象，將量子技術(shù)應(yīng)用于單個(gè)蛋白分子研究，在室溫大氣條件下獲得了世界上首張單蛋白質(zhì)分子的磁共振譜。這項(xiàng)成果在權(quán)威期刊《科學(xué)》上發(fā)表，被認(rèn)為是“通往活體細(xì)胞中單蛋白質(zhì)分子實(shí)時(shí)成像的里程碑”。
近期，在數(shù)博會(huì)的人工智能和量子計(jì)算演講中，國(guó)內(nèi)量子計(jì)算大拿杜江峰詳細(xì)地為我們解釋了量子計(jì)算和人工智能的關(guān)系，讓平時(shí)對(duì)量子計(jì)算的一臉懵逼的互聯(lián)網(wǎng)人士，恍若從夢(mèng)想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)——
一聽(tīng)到量子，好多人搞不清楚量子，包括當(dāng)年發(fā)現(xiàn)量子的人都說(shuō)不懂量子。但量子革命，從AlphaGo到量子人工智能，它很有可能有一個(gè)這樣一個(gè)過(guò)程。
剛剛也提到了人工智能最近已經(jīng)取得了很好的成績(jī)，一個(gè)機(jī)器已能下過(guò)一個(gè)人，實(shí)際上定義的任何機(jī)器，總會(huì)超過(guò)人。就像現(xiàn)在設(shè)計(jì)的汽車和飛機(jī)速度比人快，計(jì)算機(jī)能力比人的計(jì)算能力強(qiáng)，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)人工智能不會(huì)走到一個(gè)有情感、有思維，往往是經(jīng)驗(yàn)性的東西。
一般意義上來(lái)說(shuō)，一幅圖象，計(jì)算機(jī)來(lái)描述圖象都是基本上看到一幅圖象，它會(huì)按照像素來(lái)展開，里面有灰度，有深度……對(duì)它形成一些數(shù)據(jù)。人工智能對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)是否能有感官上進(jìn)一步深入了解？看到這個(gè)圖象看到比傳統(tǒng)計(jì)算上更深的意義？比如甚至知道什么樣的繪畫風(fēng)格。這就是我們今天要探討的問(wèn)題。
人工智能的能力來(lái)源是什么？今天會(huì)議的主題是大數(shù)據(jù) ，為什么前面加一個(gè)大，因?yàn)檫@是是一個(gè)動(dòng)態(tài)的工作，信息量越來(lái)越大的時(shí)代，如何從浩瀚的東西中得到有利生活質(zhì)量的東西，首先要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。這就意味著要描述的對(duì)象，由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)從單一逐漸走向各種復(fù)雜數(shù)據(jù)。
人工智能核心資源是計(jì)算能力，在二十年前，一個(gè)機(jī)器人，當(dāng)時(shí)用32個(gè)CPU, 達(dá)到120MHz的速度?，F(xiàn)在是2000個(gè)CPU，300個(gè)GPU，提升的計(jì)算能力，使得處理學(xué)習(xí)或者智能的能力得到比較大的增強(qiáng)，不過(guò)現(xiàn)在問(wèn)題是，如何過(guò)渡到量子這塊？計(jì)算能力能否無(wú)限提升？
摩爾定律在半個(gè)世紀(jì)前預(yù)言了經(jīng)典計(jì)算，每隔18-24個(gè)月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目增加一倍，計(jì)算性能增加一倍。經(jīng)典計(jì)算的能力，從32納米，在未來(lái)到四個(gè)納米，再到更小的納米，一般都認(rèn)為摩爾定律最多還能適用10年。
我們知道一個(gè)例子，從物理科學(xué)基礎(chǔ)上講一個(gè)電子不可再分的，不可能永遠(yuǎn)從90多納米到60多納米，到40多納米，到30多納米……將來(lái)能夠到零點(diǎn)幾納米甚至更小納米的層面。從科學(xué)的原理上來(lái)講，宏觀問(wèn)題上，是按照牛頓三大定律主宰的，但到納米層面，牛頓定律不再適用，而會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的科學(xué)，也就是我們經(jīng)常說(shuō)的量子力學(xué)，描述的基礎(chǔ)就不一樣了。
另外一個(gè)，還有一個(gè)熱耗散的問(wèn)題，我們?cè)谘芯坷锩嬉舶l(fā)現(xiàn)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)器件的原理，熱耗散不可避免，這是原理上決定的。譬如買到早期計(jì)算機(jī)有一個(gè)風(fēng)扇散熱，你做的集成度越高，熱耗越嚴(yán)重。
但量子計(jì)算來(lái)做這塊，原理上保持可逆計(jì)算，沒(méi)有熱耗散，可以在里面自循環(huán)，這樣沒(méi)有一個(gè)熱耗散，也是遵從量子力學(xué)規(guī)律的東西。這是未來(lái)量子計(jì)算是一個(gè)比較好的前景和方向。
另外，量子力學(xué)是近代技術(shù)的支柱，一百多年前量子理論開始提出，到現(xiàn)在的晶體管，到激光，到后面的高溫超導(dǎo)，都會(huì)有一個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)生。
在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我們對(duì)量子力學(xué)都是被動(dòng)的觀察和解釋，我看到了一些現(xiàn)象，我根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象得到一些應(yīng)用，比如激光，就是量子力學(xué)發(fā)展的成果，激光無(wú)處不在，包括投影也是激光投影。
第一次量子革命就是對(duì)晶體管，對(duì)激光的發(fā)展，支撐了整個(gè)過(guò)去信息革命的一個(gè)發(fā)展，最近隨著過(guò)去二三十年技術(shù)的積累，現(xiàn)在可以一定程度地掌控量子，可以對(duì)單個(gè)分子或者原子進(jìn)行掌控 。
在微觀有主動(dòng)調(diào)控能力有了這種調(diào)控，可能會(huì)產(chǎn)生一系列新的技術(shù)，這方面比較清楚的，在量子信息里面，目前分三個(gè)方向：
一個(gè)是量子密碼，大概7月份，中國(guó)的第一顆，也是全球第一顆量子衛(wèi)星在500公里軌道開始發(fā)射，實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全的密碼輸送；
一個(gè)是量子通訊，同時(shí)在發(fā)改委的干線，今年年底明年開始在城市間，從北京到上海，上海到合肥的一個(gè)地面的有線網(wǎng)絡(luò)，空中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
另一個(gè)是量子時(shí)鐘和量子傳感器，最近幾年，精密測(cè)量得到非常好的推廣和應(yīng)用，大概一個(gè)月前，歐盟通過(guò)了一個(gè)量子宣言，比如沒(méi)有GPS的導(dǎo)航，有一些量子傳感器，大概有10億歐元，在2020年計(jì)劃里面有一個(gè)投入。
總的來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在已經(jīng)有了非常好的發(fā)展前景。為什么說(shuō)量子近年好很多？原因很簡(jiǎn)單。計(jì)算機(jī)經(jīng)典的儲(chǔ)存單元是什么？一般是一個(gè)（電荷上的）高電頻和低電頻，高電頻代表1，低電頻代表0，叫它二進(jìn)制，量子力學(xué)告訴我們高電頻和低電頻同一瞬間同時(shí)存在。
所謂的量子疊加和量子相干，如果我有一個(gè)16位的計(jì)算機(jī)，或者32位的，它的輸入就是電頻里面的2的16次方或者2的32次方。
量子計(jì)算就是進(jìn)行疊加，這時(shí)候高速的來(lái)源就在這個(gè)地方，可以2的多少次方處于所有狀態(tài)里面，可以在這個(gè)里面透視做計(jì)算。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們做量子計(jì)算，量子密碼，量子因特網(wǎng)，量子時(shí)鐘，甚至是量子傳感器。
在量子計(jì)算這塊，包括美國(guó)和日本的國(guó)際項(xiàng)目，以及微軟和IBM，中科院有一個(gè)國(guó)家計(jì)算機(jī)的規(guī)劃綱要，有比較大的投入，企業(yè)界逐漸開始往這個(gè)方面進(jìn)入，比如阿里和中科大也成了量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室?？偟膩?lái)說(shuō)，量子力學(xué)跟人工智能有什么關(guān)系？
有這樣一個(gè)關(guān)系的話。
如果做成人工智能，如果只是加速，原來(lái)需要一千臺(tái)機(jī)器，或者需要一萬(wàn)臺(tái)，現(xiàn)在（用量子計(jì)算機(jī)）可能四臺(tái)就可以了，形成快速的計(jì)算能力。
另外一個(gè)領(lǐng)域，量子力學(xué)在模型里面解決傳統(tǒng)的沒(méi)有的模型，那是另外一個(gè)方向。
量子用于計(jì)算就是計(jì)算，用于通訊就是通訊，用于人工智能就是人工智能。利用相干疊加的方式，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算，無(wú)法比擬的超級(jí)計(jì)算能力，可以把復(fù)雜度的NP計(jì)算問(wèn)題，就可以變成P問(wèn)題。
如果做基礎(chǔ)的人來(lái)講，不管是經(jīng)典還是量子，我們處理的都是效率的問(wèn)題，把一些遙遙無(wú)期的東西變成一些結(jié)果。
大數(shù)分解，金融行業(yè)經(jīng)常用到的，給你一個(gè)非常大的一個(gè)數(shù)，找到它的兩個(gè)素?cái)?shù)是什么，經(jīng)典萬(wàn)億次的計(jì)算機(jī)需要15萬(wàn)年，如（用萬(wàn)億次的）是量子計(jì)算機(jī)，只需要一秒。在計(jì)算數(shù)據(jù)處理里面是一個(gè)基本的方式，如果用一個(gè)億億次的經(jīng)典計(jì)算需要一百年，但是把速度可以降下來(lái)，只用一個(gè)萬(wàn)億次的量子計(jì)算可能就0.01秒的時(shí)間。
量子人工智能的計(jì)算能力為人工智能發(fā)展提供革命性的工具，能夠指數(shù)加速學(xué)習(xí)能力和速度，輕松應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。
在人工智能這塊，谷歌開始建立量子人工智實(shí)驗(yàn)室，包括微軟等在做一些人工智能方面的東西。這幾年開始，甚至在AlphaGo出來(lái)之前，在學(xué)界就已經(jīng)有一些研究，人工智能里面的分類問(wèn)題，是大數(shù)據(jù)中常見(jiàn)的任務(wù)，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)體現(xiàn)規(guī)律，判斷新數(shù)據(jù)是屬于哪一類。如下圖所示，MIT在這方面已經(jīng)有如下的理論進(jìn)展一：
另一個(gè)理論進(jìn)展，是MIT和Google的聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，量子人工智能算法可以加速特征提取過(guò)程：
整體的研究進(jìn)展如下圖所示（紅色的兩個(gè)部分是我們實(shí)驗(yàn)室做的，把這個(gè)體系放到量子的模型機(jī)上，來(lái)演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這是去年的一個(gè)工作。）
最后，以實(shí)際進(jìn)展向大家舉一個(gè)量子計(jì)算運(yùn)用到人工智能的例子，這種指數(shù)加速是可行的，通過(guò)我們專用儀器設(shè)備，來(lái)讀出量子比特狀態(tài)：
MIT和一些媒體的報(bào)告，包隨著數(shù)據(jù)越來(lái)越大，現(xiàn)在每年生產(chǎn)信息2的60次方，就是60比特，用經(jīng)典比特資源，約百萬(wàn)塊硬盤能夠存下數(shù)據(jù)；但要描述宇宙所需的信息量時(shí)，會(huì)達(dá)到2的300次方，就是300比特，按現(xiàn)在的的比特資源就已經(jīng)不可能儲(chǔ)存了。
IBM制造的計(jì)算系統(tǒng)包含了5個(gè)量子比特，在其它實(shí)驗(yàn)室大概有十個(gè)。在未來(lái)五到十年能達(dá)到三十個(gè)比特，就已經(jīng)是非常了不起的一個(gè)能力了（注：如果一個(gè)量子計(jì)算機(jī)能夠組建成50個(gè)量子比特，當(dāng)今世界前500名的超級(jí)計(jì)算機(jī)全部加起來(lái)，功能都無(wú)法勝過(guò)它。）。也就是說(shuō)可以空間可以達(dá)到2的30次方，在大數(shù)據(jù)方，量子人工智能計(jì)算能力巨大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)這樣的一個(gè)彎道超車。
我想說(shuō)，第一次量子深刻影響了晶體管和激光的發(fā)展，第二次量子革命對(duì)人類一定是有巨大促進(jìn)的作用。我們不應(yīng)該去懼怕科學(xué)上的一些進(jìn)展，因?yàn)楫吘箼C(jī)器是人造的?，F(xiàn)在眼前并沒(méi)有看到一個(gè)機(jī)器有人的情感來(lái)毀滅人，我的觀點(diǎn)應(yīng)該不是這樣的。謝謝大家！
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