人工智能、量子計(jì)算是整個人類的問題

文 張首晟

我講3個題目：量子計(jì)算、人工智能與區(qū)塊鏈。我認(rèn)為這是在整個IT行業(yè)中基礎(chǔ)科技里最重要的3個模塊。我首先講量子計(jì)算，跟大家分享一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)的故事。

發(fā)現(xiàn)了天使粒子

很多比較有意思的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都跟哲學(xué)觀念的改變有所關(guān)聯(lián)，最根深蒂固的哲學(xué)觀念就是中華民族的古老哲學(xué)上體現(xiàn)出來的——好像世界從來都是正負(fù)對立的，有正數(shù)必有負(fù)數(shù)，有存款必有貸款，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有魔鬼。所以這種對立的世界觀在基本粒子的物理世界里面也有一種呈現(xiàn)。

曾經(jīng)有一位非常偉大的理論物理學(xué)家狄拉克，他和愛因斯坦、楊振寧是我認(rèn)為20世紀(jì)做出最偉大貢獻(xiàn)的3位物理學(xué)家，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)一的過程中他要做一個非常簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，就是開一個根號。

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。但是狄拉克很聰明，他把負(fù)解解釋成所有的基本粒子有粒子必然有反粒子。

這在當(dāng)時是非常驚人的預(yù)言。1928年還沒有發(fā)現(xiàn)反粒子，大家都對他提出非常大的質(zhì)疑，說他這個方程肯定不對，世界上肯定沒有看到反粒子。他說“我的方程實(shí)在是太美了，你們繼續(xù)去尋找”。他非常幸運(yùn)，僅過了5年，大家就在宇宙輻射的射線里找到了電子的反粒子，就是正粒子，命名為狄拉克海。

最近好萊塢對科學(xué)前沿發(fā)展非常感興趣，所以有些好萊塢大片都是跟科學(xué)發(fā)現(xiàn)有關(guān)。大家可能都看過一個電影叫《達(dá)芬奇密碼》，有一個系列片叫《天使與魔鬼》，講的就是有天使必然有魔鬼，有粒子必然有反粒子。恐怖分子到歐洲的實(shí)驗(yàn)加速器里面偷出來一百萬分之一克的反粒子就可以做成炸彈，它的威力相當(dāng)于4噸TNT的威力，這是人類能量儲存密度最高的辦法。

今天中國對科學(xué)發(fā)展非常關(guān)心，可能大家會問我科學(xué)發(fā)展最大的驅(qū)動力是什么？我會毫不遲疑地回答：這是一種好奇心的驅(qū)動。

牛頓因蘋果掉下來激發(fā)了他的靈感，萬有引力就被發(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。當(dāng)時，狄拉克已經(jīng)成為非常有名的理論物理學(xué)家，大家都非常堅(jiān)信在世界上有粒子必然有反粒子。但是另外一位理論物理學(xué)家Majorana完全出于好奇心，他問世界上會不會有一些粒子并沒有反粒子？他果然又找到了一個方程，現(xiàn)在以他的名字叫Majorana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。他的文章發(fā)表之后并沒人理他，因?yàn)樗械姆戳Ｗ佣颊业搅耍运麤]有像狄拉克那么幸運(yùn)。Majorana也感到自己的人生非常失落，在意大利的一個港口城市上了渡輪，本來想去西西里島，但是從此之后沒有了蹤跡。

這就成了整個物理學(xué)的兩個大謎團(tuán)，一個是粒子有沒有存在——我們稱它為Majorana費(fèi)米子，它沒有反粒子，只有它自己或者它自己就是自己的反粒子。另外就是Majorana本人也是非常大的謎，他好像泄露天機(jī)之后就被天使叫去了。

在整個物理學(xué)界有一個所有人夢寐以求都想尋找的名單，這其中包括大家可能聽說過的上帝粒子，2012年在歐洲的加速器被找到，預(yù)言它的那位物理學(xué)家希格斯也得了諾貝爾獎。

我們前年找到了引力波，這也是愛因斯坦100年前預(yù)言的現(xiàn)象。另外我們也想找磁單極等。在這份夢寐以求的名單中，Majorana費(fèi)米子的確是大家夢寐以求的目標(biāo)，但整整找了80年還無果。

我是做理論工作的，我現(xiàn)在經(jīng)常要接待很多國內(nèi)的訪問團(tuán)來到斯坦福大學(xué)，他們都說“我想?yún)⒂^一下你的實(shí)驗(yàn)室”，我會告訴大家我的實(shí)驗(yàn)室就是一張紙和一根筆，但是我非常自豪。理論物理學(xué)家會作出預(yù)言，讓實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來測試。

我的實(shí)驗(yàn)小組在2010年時就預(yù)言了在哪個系統(tǒng)里面會找到這樣一個神奇的粒子，我們預(yù)言在這么一個組合型的器件里面可以找到Majorana費(fèi)米子。但就是找到也沒有用，就是系統(tǒng)有也不是完全有用，一定要告訴大家是怎樣一個信號真正說明這種神奇粒子的存在。任何一個粒子，沒有人可以用肉眼觀測到，我們總是要找到一個信號，什么信號能夠證明這種粒子的存在，也需要進(jìn)一步的靈感。

有一天，我想既然基本的粒子有兩種，有正面有反面，就像硬幣有正面有反面，但是Majorana費(fèi)米子只有一面，沒有反面，所以在某種意義上它是通常粒子的一半。但是通常粒子在電導(dǎo)是臺階性的量子化，要不是0，要不是1，要不是2等。所以我們理論小組做了大膽的預(yù)言，既然Majorana費(fèi)米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；而通常的粒子電導(dǎo)率是0、1、2、3的整數(shù)倍，那么Majorana費(fèi)米子的電導(dǎo)率必然會導(dǎo)致半整數(shù)倍的電導(dǎo)臺階，也就是會有0.5或1/2的臺階。

后來我們理論小組就和實(shí)驗(yàn)小組做了一個緊密的合作。實(shí)驗(yàn)小組來自UCLA、UC DavisUC Irvine，他們做了一個實(shí)驗(yàn)，的確在0.5的地方可以看到實(shí)驗(yàn)的原始圖案并出現(xiàn)了臺階，鐵證如山地證明了Majorana費(fèi)米子的存在。

這是一個激動人心的時刻！2017年7月，我們準(zhǔn)備向全世界宣布這個激動人心的發(fā)現(xiàn)時，我又來了一個靈感，想到本來有天使必有魔鬼，但我們好像找到了一個只有天使沒有魔鬼、只有正沒有負(fù)的粒子，所以我們將它取名為“天使粒子”，大家非常喜歡這個名字。

前段時間，美國物理學(xué)會召開了一個每年最大的會議，邀請我作一個主題報(bào)告，就是在引力波發(fā)現(xiàn)之后的“天使粒子”發(fā)現(xiàn)報(bào)告，差不多有好幾千人參加，大家都覺得這是物理學(xué)里面非常振奮人心的發(fā)現(xiàn)。

但是這跟IT峰會有什么關(guān)系？IT峰會最關(guān)心的是計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)分成兩類，有經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)。有些問題，經(jīng)典計(jì)算機(jī)很容易解決，比如把兩個大的數(shù)乘起來，經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以算得很快。

看一個數(shù)能不能拆成另外兩個數(shù)的乘積，比如15=3X5，這個數(shù)比較小，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(jì)算機(jī)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?yàn)樗玫乃惴ㄊ歉F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(jì)算機(jī)算起來非常慢。

今天人工智能要做的事情，是整個人類所有計(jì)算的事情最終能轉(zhuǎn)化為優(yōu)化的問題，有很多的可能性，我們要找到最佳的可能性，經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能用窮舉法，最后才算出一個答案。但是量子世界是非常神奇的世界，是平行的世界。比如一個著名的試驗(yàn)，如果我放出一個粒子，比如光子，它有左右兩個孔。我要打一個炮彈過去，要不就是從左邊穿過要不就是從右邊穿過，不可能在同一個時間既穿過左邊又穿過右邊。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，只有這種行為才能解釋在后面形成的干擾條紋。假定要么是左要么是右的話，看起來的圖像就不是這個顯示的圖像。量子的世界本身就是平行的。如果用量子世界來做計(jì)算的話就能夠秒算，把所有的可能性一下子算出來，因?yàn)榱孔邮澜缬兴钠叫行裕@是量子計(jì)算最基本的概念。

要真正造出這個量子計(jì)算機(jī)非常困難。比如經(jīng)典計(jì)算機(jī)最基本的單位是比特，用0、1就能夠表達(dá)所有的信息；但在量子世界里，一個粒子同時穿過左孔和右孔，處在某一種疊加的狀態(tài)時，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。

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，任何一個噪聲都會對量子比特產(chǎn)生很大的干擾。

最近量子計(jì)算機(jī)成為全球和美國著名公司特別關(guān)注的焦點(diǎn)，谷歌、微軟、IBM、英特爾都在做投資，但不能從根本上解決這個問題，其研發(fā)就很困難。一個量子比特是非常不穩(wěn)定的，如果哪天我們做了50量子比特，關(guān)鍵還要看有用的比特是多少，如果只有一個有用的比特，在量子計(jì)算的框架下，往往需要10個、20個甚至40個、50個糾錯的比特來為它服務(wù)。這使得量子計(jì)算很難真正實(shí)現(xiàn)。

但是天使粒子的發(fā)現(xiàn)使這一切根本改變了。這是量變到質(zhì)變的過程，并不是把量子比特做的越多越好，量子比特本身自帶糾錯的能力，即通常一個量子比特能夠拆分成兩個天使粒子。

我剛才一直在講基本概念，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)的地方相互糾纏。但經(jīng)典世界里面的噪音相互之間沒有糾纏，這樣就沒法用噪聲來破壞由天使粒子所儲存的量子。這是一個革命性的改變。

天使粒子的發(fā)現(xiàn)是激動人心的，不用附加糾錯的比特，自帶糾錯功能，這會對量子計(jì)算起到巨大的推動作用。

人工智能還處于早期

我接下來跟大家分享一下人工智能。人工智能也是一個基本概念，20世紀(jì)60年代就已經(jīng)提出來。之所以今天人工智能能夠有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，主要是3個大潮流的匯總。

根據(jù)摩爾定律的迭代，CPU的性能每過18個月能夠翻倍，如果用量子計(jì)算的話，不只是按摩爾定律18個月翻倍，而是完全從量變到質(zhì)變的，我們的計(jì)算能力在不斷增長。另外，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生，造成大量的大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)能夠幫機(jī)器真正學(xué)習(xí)。再好的算法、再強(qiáng)勁的計(jì)算機(jī)沒有數(shù)據(jù)都不能達(dá)成最佳的人工智能。

整個人工智能，大家雖然看到它突飛猛進(jìn)地在改變，但是我覺得它還是處在非常早期的階段，今后的前景非常廣闊。為什么這么講呢？做一個簡單類比，比如我們曾經(jīng)看到鳥飛，人也非常想飛，但是早期學(xué)習(xí)飛行只是簡單的仿生，我們在自己的手臂上綁上翅膀。真正達(dá)到飛行的境界是由于我們理解了飛行的第一性原理就是空氣動力學(xué)，有了數(shù)學(xué)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，就是現(xiàn)在的飛機(jī)，飛得又高又快又好，但是并不像鳥，這是非常核心的一點(diǎn)。

可能現(xiàn)在人工智能是在簡單地模仿人的神經(jīng)元，但我們更應(yīng)該思考的是，這里面有一個基礎(chǔ)科學(xué)重大突破的機(jī)會，就是我們真正去理解智慧和智能的基本原理，基本的數(shù)學(xué)原理，這樣真正能夠使人工智能有突飛猛進(jìn)的變化。

另外，大家經(jīng)常問到底用怎樣的判據(jù)能夠真正衡量人工智能是否達(dá)到人的標(biāo)準(zhǔn)？大家可能聽說過圖靈測試，圖靈測試是人跟機(jī)器對話，但是我們不知道在背面到底是人還是機(jī)器。整個對話過程中，你如果花了一天的時間根本感覺不出來，那就是說機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)家，但是我并不贊同這個判決。人也是在進(jìn)化的，人的很多情感并不是理性的情感，要讓一個理性的機(jī)器學(xué)一個非理性的人的大腦并不是那么容易，比如你故意激怒機(jī)器人，說不定它也不怎么理你。人最偉大的一點(diǎn)就是我們能夠做科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，我想提出一個新的、最好的判據(jù)，就是如果哪一天機(jī)器人真能夠做科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，到那一天機(jī)器就超過人類了。

最近我在人工智能方面寫了一篇文章，將會在美國的科學(xué)院雜志上發(fā)表，題目叫“Atom2Vec”。人類最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，有相對論、量子力學(xué)；而化學(xué)里最偉大的發(fā)現(xiàn)就是元素周期表。假定我們根本不知道元素周期表，今天的機(jī)器能不能自動發(fā)現(xiàn)元素周期表呢？也就是說，當(dāng)我們把所有存在的化學(xué)元素的名字輸入到算法里面，結(jié)果這個機(jī)器自然地發(fā)現(xiàn)了元素周期表，它可以做出人類認(rèn)為最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這樣，機(jī)器才真的達(dá)到了人的水平，在這種意義上，這機(jī)器才可以幫助我們發(fā)現(xiàn)新藥，也可以用機(jī)器學(xué)習(xí)的辦法發(fā)現(xiàn)新的材料。

區(qū)塊鏈產(chǎn)生數(shù)據(jù)市場

接下來我再跟大家分享最后一個題目——區(qū)塊鏈，人工智能在突飛猛進(jìn)發(fā)展，但是人工智能最缺少的是數(shù)據(jù)，恰恰今天數(shù)據(jù)是處在完全中心壟斷的狀態(tài)中，不能幫助機(jī)器合理地學(xué)習(xí)。

如同大家在此之前聽說的Facebook數(shù)據(jù)被盜事件一樣，很多數(shù)據(jù)在沒有被允許的情況下就被使用。在今天的世界，個人會產(chǎn)生很多的數(shù)據(jù)，如基因數(shù)據(jù)、醫(yī)療數(shù)據(jù)、教育數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)等。而這些數(shù)據(jù)都是掌握在中心機(jī)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)生一個數(shù)據(jù)市場。所以我理想的世界是未來每人擁有自己所有的數(shù)據(jù)，這是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)。然后再用一些加密算法，在區(qū)塊鏈上就真正能夠達(dá)到既保護(hù)個人的隱私，又能夠做出良好的計(jì)算。所以我把今后區(qū)塊鏈的整個理念用一句話來描寫，叫“In Math we trust”——我們的信念建筑在數(shù)學(xué)上。

我今天報(bào)告的題目有一個核心的理念，就是要使IT真正能夠發(fā)展，既需要物理學(xué)又需要數(shù)學(xué)。一旦我們建筑在區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上，再加上這些奇妙的數(shù)學(xué)算法，我們就能夠真正達(dá)到數(shù)據(jù)市場。這個數(shù)據(jù)市場的產(chǎn)生，能夠使得社會變得更加公平，現(xiàn)在社會最大的不公平是我們?nèi)菀灼缫曇恍┥贁?shù)派。但是在機(jī)器學(xué)習(xí)的過程中最需要的就是那些少數(shù)派所擁有的數(shù)據(jù)。如果今天機(jī)器學(xué)習(xí)的精準(zhǔn)率達(dá)到了90%，想要讓它再達(dá)到99%的話，它需要的不是已經(jīng)學(xué)過的數(shù)據(jù)，而是需要跟以前最不一樣的數(shù)據(jù)。這樣的話我們才能夠把一只丑小鴨真正變成一只美天鵝，因?yàn)槌笮▲啿⒉皇浅螅皇歉鷦e人不一樣而已。

大家對區(qū)塊鏈的認(rèn)識還不是最根本的第一性原理的認(rèn)識。用最基本的物理學(xué)原理來講，達(dá)到共識就是大家都同意同一個賬本，就相當(dāng)于在物理學(xué)里面磁鐵本來是雜亂無章的，但是到了鐵磁態(tài)里面它們指向的方向都是同樣的。所以達(dá)到共識在自然世界里面有，在今天的人文世界里面也有。這種現(xiàn)象叫熵減，達(dá)到共識，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。但達(dá)到這個共識是非常難的，因?yàn)殪乜偸窃谠龅模裉炷阋阉鼫p下去是很難的事情。在區(qū)塊鏈上能達(dá)到一個共識系統(tǒng)都是用一種算法，在這上面是需要消耗能量的。

大家可能一開始不太理解為什么這件事情聽起來不合理，一些賬戶為什么要耗費(fèi)能量？從物理學(xué)第二定理來講，這是非常合理的一件事情，因?yàn)檫_(dá)到共識本身是熵減，但整個世界的熵一定要增加，所以在達(dá)到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(jī)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，付出的代價(jià)也是必然的趨勢。

我另外想講的是，我們在整個人工智能領(lǐng)域需要學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界做緊密的聯(lián)系，在學(xué)界有最好的物理、最好的數(shù)學(xué)和算法的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。

2018年1月8日，我非常榮幸在人民大會堂被授予了中華人民共和國國際科技合作獎。在我們整個世界中，科學(xué)是最無止境、最沒有國界的，今天我們所要解決的人工智能、量子計(jì)算都是整個人類的問題。所以我們的眼光不要放在自己的局部，而是放眼全球。在這個過程中，中國也有一個非常大的機(jī)遇，中國除了把應(yīng)用科技做得好，能不能有真正原創(chuàng)科技的產(chǎn)生也是很關(guān)鍵的一點(diǎn)。

今天跟大家介紹的這些都是最基本的物理和最基本的數(shù)學(xué)原理，這些原理聽起來比較抽象，比如熵增原理、正負(fù)電子。但在最基本的層次上，這正是今天這個世界的奇妙所在，它能夠給整個IT行業(yè)提供最基本的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前景。