量子計算與量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)： 智能時代研究新范式

人類從未停止對極限的追求，對腦結(jié)構(gòu)和能力的極限探索，正是這樣一個縮影。應(yīng)該說，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和諸多機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在這條道路上飛快前行，成為了21世紀(jì)最具顛覆性的技術(shù)。在許多我們自以為十分擅長的任務(wù)上，它們輕而易舉地超越了我們，像是數(shù)據(jù)挖掘和國際象棋，又或是人臉識別、自然語言處理。基于強(qiáng)大的計算能力，這些技術(shù)彰顯未來無限的可能。然而隨著超量數(shù)據(jù)的疊加，更強(qiáng)的計算能力，成為通向智能時代的關(guān)鍵一環(huán)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和諸多機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)快速崛起，已經(jīng)成為大數(shù)據(jù)時代下的技術(shù)基石。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人腦的神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)以期能夠?qū)崿F(xiàn)類人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。人腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個非常復(fù)雜的組織，成人的大腦中估計有1000億個神經(jīng)元。通過統(tǒng)計學(xué)的方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行分布式的信息處理功能，能夠類似人一樣具有簡單快速的決定能力和判斷能力，同時在自學(xué)習(xí)功能、聯(lián)想存儲功能和高速尋找優(yōu)化解具有優(yōu)越性。

量子計算和量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

然而隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，我們所面臨的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長（包括數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)種類、結(jié)構(gòu)和并生速度的增長）。在摩爾定律近乎失效的情況下，基于現(xiàn)有的經(jīng)典計算能力，在如此復(fù)雜龐大的數(shù)據(jù)面前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理信息過程將變得無比漫長，甚至完全無法實現(xiàn)最基本的功能。量子計算和量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為新的可能。

機(jī)器學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于經(jīng)典計算模擬，以存儲電壓的高低劃分?jǐn)?shù)據(jù)存儲狀態(tài)，每次只能處理一個比特的狀態(tài)數(shù)據(jù)。量子計算機(jī)存儲量子比特，一個量子比特可表示量子態(tài)|0>和|1>的疊加，一次運算就可同時處理兩個狀態(tài)的信息。經(jīng)典計算機(jī)對2n比特的數(shù)據(jù)執(zhí)行相同計算需要2n次操作，而量子計算機(jī)只需要對n個量子比特進(jìn)行一次操作即可。故此，量子計算在數(shù)據(jù)處理能力上遠(yuǎn)超經(jīng)典計算。假設(shè)我們有一個模型或者一個函數(shù)需要進(jìn)行計算，有一個變量取一個x，計算其函數(shù)值F（x），如果x是一個n個比特的數(shù)據(jù)，把x的所有取值計算出來的話，在經(jīng)典計算中需要算2的n次方，當(dāng)n很大的時候，計算量很大。量子計算里面有一個很特殊的特性就是量子疊加態(tài)，可以制備變量x的疊加態(tài)，可以取到這個x所有的數(shù)值，這樣一次輸入就可以計算所有x的函數(shù)值F（x）;這就是量子計算并行性的根本原因。

量子計算因為其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理的能力，能夠滿足處理大規(guī)模、復(fù)雜大數(shù)據(jù)對計算能力和速度的要求，除了人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)之外，氣象模擬和實時預(yù)測、實時路況導(dǎo)航、無人駕駛路線規(guī)劃、數(shù)據(jù)快速搜索與排序等和人類日常生活很近的領(lǐng)域都將得益于量子計算技術(shù);量子計算也可以有效模擬量子體系的動力學(xué)過程，尤其是對化學(xué)反應(yīng)、生物現(xiàn)象以及生命過程等交叉學(xué)科領(lǐng)域的模擬，將對新能源、新材料以及新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)有著極大的應(yīng)用價值。因此，量子計算技術(shù)將對整個人類的文明形態(tài)和生活方式帶來翻天覆地的變化。

量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于量子力學(xué)原理的計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由量子力學(xué)與數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等多學(xué)科交叉而形成的一個全新的研究領(lǐng)域，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是過去神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的超然進(jìn)化，它充分利用量子計算的巨大威力，提升神經(jīng)計算的信息處理能力。對于量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，大腦的工作系統(tǒng)與量子物理系統(tǒng)更為相似，這種微觀物質(zhì)的運動系統(tǒng)，更適合模擬人腦的心理與生理過程;經(jīng)典計算機(jī)硬件的發(fā)展存在極限，當(dāng)集成電路的線寬繼續(xù)縮小下去，摩爾定律將會失效，門和連線僅包含幾個原子，量子效應(yīng)就會出現(xiàn)并且發(fā)揮重要的作用，量子效應(yīng)開始影響電子的正常運動，量子計算將是未來解決計算瓶頸新方向;同樣的，神經(jīng)計算的量子化也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，二者之間存在著某些本質(zhì)上的聯(lián)系。量子計算專家、深圳量旋科技有限公司董事長項金根博士解釋道，“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要計算一個目標(biāo)函數(shù)F（x）的值，通過改變參數(shù)x得到一個目標(biāo)函數(shù)的值，這個步驟在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中將進(jìn)行多次循環(huán)，每一次循環(huán)不停地調(diào)整x，得到目標(biāo)函數(shù)的最小值。在實際的應(yīng)用里，F(xiàn)（x）這個函數(shù)可能是比較復(fù)雜的函數(shù)，計算這樣的函數(shù)需要很大的計算量，如當(dāng)運用到量子計算時，這個過程將變得比較簡單，加快了整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算速度。”

當(dāng)然，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究還在不斷發(fā)展完善中，但在科研學(xué)術(shù)界，已達(dá)成共識，相比機(jī)器學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更少的神經(jīng)元結(jié)構(gòu);學(xué)習(xí)和信息處理速率更快;可存儲節(jié)點和模塊更大，具有指數(shù)級的記錄量。

量子計算行業(yè)進(jìn)展

鑒于量子計算和量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運用前景，不少研究機(jī)構(gòu)及大型IT公司都將目光集中到了量子計算機(jī)的研發(fā)上，以Google、Microsoft、IBM為首的科技巨頭紛紛投入量子計算領(lǐng)域的研究。Google量子團(tuán)隊已經(jīng)證明了量子計算能解決傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)中的圖像分類問題，隨著技術(shù)的發(fā)展，量子計算機(jī)將在學(xué)習(xí)能力上超越經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。而2018年，美國著名科技媒體《連線》刊登了一篇文章，分析了量子計算在機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢、弊端以及現(xiàn)有案例，兩者的結(jié)合或終將解決人工智能等諸多問題。

相比國外的快速發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)也正在加快相關(guān)研究。今年已完成數(shù)千萬元A輪融資的深圳量旋科技正在加快研發(fā)實用型量子計算機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)和量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。作為致力于量子計算產(chǎn)業(yè)化的初創(chuàng)公司，量旋科技專注于核磁共振技術(shù)方向和超導(dǎo)量子比特技術(shù)方向，已研發(fā)成功并售賣的桌面型核磁共振量子計算機(jī)“雙子座”，通過原子核與磁場發(fā)生相互作用來探測信號，采用室溫運行和成熟的電磁波脈沖控制技術(shù)，計算錯誤率較低，且可以實現(xiàn)小型化，因此設(shè)備適合日常場所使用。雙子座目前也已搭配可以鏈接多個量子計算體系的云服務(wù)平臺“金牛座”，形成線上和線下相結(jié)合的計算體系，在處理一些量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法測試上，結(jié)果表明即使現(xiàn)有的量子計算機(jī)帶有噪聲，也能夠得到比較理想的結(jié)果。

超導(dǎo)量子比特方向則是目前最有希望實現(xiàn)通用量子計算的實現(xiàn)方法之一。超導(dǎo)量子電路對量子比特的能級與耦合的設(shè)計與控制非常靈活，國內(nèi)外公司都在加速發(fā)展這一技術(shù)。量旋科技正在開發(fā)公司首臺超導(dǎo)芯片量子計算機(jī)，將于明年年底發(fā)布。預(yù)計，其超導(dǎo)量子計算機(jī)產(chǎn)品能在未來2～3年內(nèi)供科研用戶使用，5年后能在具體場景落地使用。

結(jié)合量子計算與量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或許是計算智能時代的研究新范式。