量子计算、人工智能和区块链

阿特拉斯

编者注

未来5至10年，将是全球新一轮科技革命和产业变革从蓄势待发的关键时期。随着世界新一轮科技革命的快速发展，颠覆性技术创新风起云涌，其中最引人注目的包括量子计算、人工智能和区块链。这些颠覆性技术是否与中国传统文化有关？它与基础科学（如数学、物理）有何关系？如何客观地了解这些前沿技术？本期特刊刊登美国理论物理学家、中国科学院外籍院士张首晟获得人民国际科技合作奖的报告

目前，量子计算、人工智能和区块链是整个信息技术产业中最重要的三大基础技术。未来，要让信息技术真正实现跨越式发展，就必须重视基础科学，物理和数学并重，因为物理和数学都与信息技术革命息息相关。

“天使粒子”的发现改变了量子计算机的研发困境

在说量子计算之前，先给大家讲一个与“天使粒子”相关的科学发现故事。近代许多有趣的科学发现都与哲学观念的变化有关，包括那些根深蒂固的中华民族古老的哲学观念。例如，世界似乎一直是一个正反对立的世界。有正数必有负数，有阴必有阳，有善必有恶。这种对立的世界观也存在于基本粒子的物理世界中。

历史上有一位非常伟大的理论物理学家狄拉克，他统一了爱因斯坦的狭义相对论和量子力学。在统一的过程中，他进行了一个非常简单的数学运算，打开了一个偏旁符号。打开平方根时，总会有正解和负解。大多数人可能只关心“正解”而不关心“负解”。狄拉克将“负解”解释为所有粒子都必须有反粒子，并预言所有粒子都必须有反粒子。

1928年，物理学界没有发现反粒子，大家都对他提出了很大的质疑，说他的方程肯定是错的。他坚持认为他的方程式是正确的。5年后，他非常幸运。果然，在宇宙辐射的射线中，物理学家发现了电子的反粒子，即正粒子，并将其命名为狄拉克海。

此后，基本粒子发现了质子，发现了反质子，中子发现了反中子，并得到了应用。例如，正电子已广泛应用于医学领域。有一种称为 PET 的医学测试，它使用正电子和负电子进行成像。要检测阿尔茨海默病，最好的方法是做PET。

今天，中国人非常关心科学发展。科学发展的最大动力是什么？我觉得是对生活的好奇。历史上的理论物理学家，比如牛顿，受到苹果树下苹果坠落的启发，发现了万有引力。爱因斯坦在乘坐电梯时，觉得电梯的升降和引力的作用非常相似，从而创造了伟大的广义相对论。

此外，科学发展不应迷信权威。在狄拉克成为非常有名的理论物理学家之后，科学家们非常坚信，如果世界上有粒子，就一定有反粒子。但另一位伟大的理论物理学家马约拉纳出于好奇，问世界上是否有一些粒子没有反粒子？他发明了马约拉纳方程，它奇妙地描述了一个没有反粒子的粒子，或者说它是它自己的反粒子。

后来，整个物理学界都在寻找两个令人垂涎的粒子。一种粒子被称为“上帝粒子”，2012年在欧洲的一个加速器中被发现。预言它的物理学家希格斯获得了诺贝尔奖，另外一个就是“马约拉纳费米子”。

我从事理论物理学工作，而理论物理学家的工作通常是为实验物理学家做出预测以进行测试。我的实验小组在 2010 年预测，马约拉纳费米子可以在组合装置中找到。但是我们仍然需要找到一个可以证明这种粒子存在的信号。

有一天，我认为马约拉纳粒子只有一面，没有反面，所以从某种意义上说，它的大小只有正常粒子的一半。我们的理论组做了一个大胆的预测：由于马约拉纳粒子与普通粒子不同，它在某种意义上只是普通粒子的一半。因此，其导电性会有所不同。通常的粒子电导率是0、1、2、3的整数倍，这必然会导致半整数倍的电导阶跃。我们预测它将有 0.5 或 1/2 步。后来，我们的理论团队和实验团队进行了密切合作，进行了实验观察。确实，在0.5处可以看到实验的原始图案，在0.处出现了5个台阶，证明了马约拉纳费米子的存在。

“天使粒子”与信息技术的发展有何关系？

今天的计算机已经分为两大类，经典计算机和量子计算机。有些问题可以通过经典计算机轻松解决，例如将两个大数相乘，而经典计算机的计算速度非常快。但是，这取决于一个数字是否可以分为其他两个数字的乘积。比如15可以写成3乘以5。如果这个数字比较小，也可以自己算。但是给你一个很大的数字，经典计算机要计算这个数字是否是两个数字的乘积需要很长时间，因为它使用的算法是穷举法，它取所有可能被一个除的数字数，最后确认这是否是两个数的乘积。经典计算机的计算速度非常慢。

经典计算机只能使用详尽的方法来最终计算出答案。但量子世界是一个非常神奇的世界，一个平行世界。例如，在一个著名的实验中，如果我发射一个粒子，比如一个光子，它有两个孔，要么在左边，要么在右边。但是量子世界里有一个内在的平行，一个基本粒子在某一时刻同时穿过两个孔。无论是向左还是向右，图像都不是显示的图像。

量子世界本身是平行的。如果用量子世界来做计算，可以秒级计算，一下子把所有的可能性都计算出来，因为量子世界有它真正的并行性，这是量子计算最基本的概念。但是要真正创造出这种量子计算机是非常困难的。比如最基本的单位，经典计算机最基本的单位是比特，即信息不是0就是1，所有的信息都可以用0、1来表示。这是经典计算机的概念。但在量子世界中，一个粒子同时通过左孔和右孔，处于一定的叠加状态。一个量子比特分不清是0还是1，处于0和1的叠加状态。大家听一个比喻，薛定谔' s猫处于生死叠加的状态。这是一个非常奇怪的现象。然而，由于这种基本现象，这意味着量子比特本身并不是很稳定。你可以看看它是在左边，还是在右边，如果它是 0，或者 1，如果你环顾四周。单个噪声会对量子比特造成很大的干扰。

近来，量子计算机已成为世界和美国知名公司特别关注的问题。谷歌、微软、IBM、英特尔都在进行投资，但他们无法从根本上解决这个问题，因为量子比特是非常不稳定的。如果你告诉我们有一天我制造了 50 个量子比特，但关键问题是有多少有用的比特。如果只有一个有用位，在这种量子计算的框架下，往往需要10、20甚至40、50个纠错位。服务于它使得量子计算难以真正实现。

但天使粒子的发现从根本上改变了量子计算机研发的困境，这是一个从量变到质变的过程。量子比特本身有自己的纠错能力，就是我通常把一个量子比特分裂成两个天使粒子。普通粒子有两侧，而天使粒子只有一侧，所以天使粒子通常只有半个粒子。所以通常一个量子比特可以用两个天使粒子来存储它。一旦与两个粒子存储在一起，它们距离很远，彼此纠缠在一起。在经典世界中，噪声之间并没有相互纠缠，因此不可能用噪声来破坏天使粒子所储存的量子，所以这是一个革命性的变化。

因此，不久前我在美国物理学会发表演讲，说天使粒子是一个令人兴奋的发现。它可以用来制造与量子计算机一样多的比特。无需添加纠错位，自带纠错功能。计算机的发展在快速进步中发挥了作用。

机器人可以做出科学发现的那一天，智能机器超越人类的那一天

作为一个基本概念，人工智能从 1960 年代就被提出。今天的人工智能能够突飞猛进的发展，主要得益于很多新技术的聚合。根据摩尔定律的迭代，它可以每 18 个月翻一番。如果用量子计算，18个月不仅摩尔定律翻倍，而且完全由量变质。多年来，人类的计算能力持续增长。互联网和物联网的诞生产生了大量的数据。智能算法正在发生突飞猛进的变化。大数据可以帮助机器学习。然而，人工智能的基础是各种数据。算法再好，没有数据的计算机再强大，也无法成为人工智能。

人工智能，虽然我现在看到它取得了长足的进步，但我认为它还处于早期阶段。你为什么这么说？打个简单的比喻，比如我们曾经看到鸟在飞，人们很想飞，但是早期学习飞行只是简单的仿生学，翅膀是绑在人的手臂上的。这是简单的仿生学，但真正的飞行境界是因为人类了解飞行的第一原理——空气动力学，有了物理原理和数学方程，就可以人工设计出最好的飞机。今天的飞机飞得又高又快又好，但它们不像鸟。，这是一个非常核心的观点。

如今，人工智能大多只是简单地模仿人类神经元，但我们应该思考的是量子计算机对比特币的影响，基础科学存在重大突破的机会。我们必须真正理解智慧和智能的基本原理，才能真正让人工智能从根本上改变。

到底什么样的依据才能真正衡量人工智能达到人类的标准？有些人可能听说过图灵测试。图灵测试是人与机器对话，但不知道对方是人还是机器。在整个对话过程中，如果你花了一天时间，完全感觉不到，说明机器人似乎已经达到了人类的水平。虽然图灵是一位伟大的计算机科学家，但我不同意这种判断方法。很多人的情绪都不是理性的情绪。理性机器要学习非理性人的大脑可能并不容易。

所以我想想出一个新的判断方式，智能机器人什么时候才能真正拥有超越人类的智能？我认为人类最伟大的事情是我们可以做出科学发现。有一天机器人真的可以做出科学发现，那一天机器将超越人类。

最近写了一篇关于人工智能的文章，将发表在《美国科学院学报》上。会提到人类最伟大的科学发现包括相对论、量子力学等。化学中最伟大的发现是元素周期表的元素发现。智能机器可以在没有任何指导的情况下自动发现元素周期表吗？它能否帮助人类发现新药，是否可以使用机器学习发现新材料？这些都是判断人工智能水平的标准。

实现区块链与人工智能共存发展，它们将是最有价值的

当今世界，个人会产生大量的数据，比如个人基因数据、医疗数据、教育数据、行为数据等，这些都是人工智能发展所特别需要的。大量数据保存在中央组织中，并没有实现真正的去中心化。区块链的产生可以产生去中心化的数据市场。

我用一句话描述了区块链的整个概念量子计算机对比特币的影响，叫做“In Math we trust”，它是基于数学的。整个区块链和整个信息技术领域最基础的就是基础数学，可以在数据市场中保护个人隐私，进行合理的统计计算。比如有一种很神奇的计算方法叫做零知识证明，它可以向你证明我的数据很有价值，但它并没有告诉你真正的隐私数据在哪里。

有了区块链，数据市场可以让社会更加公平。现代社会最大的不公是人们倾向于歧视某些少数族裔。但机器学习过程中最需要的是少数人拥有的数据。如果今天机器学习的准确率达到 90%，把 90% 提高到 99%，它需要的不是已经学过的数据，而是和以前不同的数据。通常，对机器学习最有价值的是少数数据。一旦我们的数据建立在区块链的基础上，再加上这些奇妙的数学算法，我们就可以拥有一个良性的数据市场。在这个世界上，实现区块链和人工智能共存的理念，它们将是最有价值的。

整个区块链，公众对它的理解并不是最基本的第一性原理理解。就物理学最基本的原理而言，达成共识就像每个人都在同一个“账本”上达成共识，相当于物理学中，磁铁原本是杂乱无章的，但在铁磁状态下，它们都指向同一个方向. 的。

达成共识也发生在自然界中，这种现象称为熵减。有一个共识是，如果每个人都朝着一个方向前进，那么这个状态的熵远小于混沌的熵。达成这种共识非常困难，因为熵总是在增加。

可以使用算法在区块链上实现共识系统，这需要能量消耗。这件事听起来很不合理，账户为什么要消耗能量，但从物理学第二定理来看，这是很合理的事情，因为达成共识本身就是熵减少，但整个世界的熵必然增加，因此，在达成共识时必须排除其他一些熵。这种非集中机制与自然界中的磁铁从无序状态到有序铁磁状态非常相似。消耗能源、付出代价也是必然趋势。

因此，理想的信息世界是未来每个人都拥有自己所有的数据，完全去中心化存储，这样黑客就无法破解每个人的数据。那么在区块链上使用一些加密算法就可以真正保护个人隐私，做好计算，不会发生Facebook很多个人数据被盗之类的事情。

我们今天要解决的量子计算、人工智能、区块链技术等问题，都是人类的问题。中国科学家将面临巨大机遇。除了在应用技术上做得好，他们还应该有真正原创的基础科学。突破，比如上面介绍的物理和数学原理，虽然这些东西听起来很抽象，比如熵增原理，正电子和正电子。世界的奇迹就在于基础科学能够为整个信息技术产业提供广阔的新发展前景。（作者：张首晟，本期主题文章为作者在2018中国（深圳）IT领袖峰会上的报道，接受记者颜盛和、袁宇飞采访，图片均来自视觉中国，

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