人工智能中的量子計算應用研究

安徽華盾量通科技有限公司 黎 偉

近些年來，伴隨人工智能的不斷發展，對人類社會儼然已經產生了巨大的影響，成為了推動經濟社會發展的新引擎。但目前人工智能技術已經面臨著不少挑戰，而量子計算在人工智能中的應用，似乎成為了推進人工智能技術實現進一步升級的重要手段。量子計算與人工智能的結合，其產生的效應及影響可能會遠遠超出世人的想象。文章主要就人工智能中的量子計算應用展開研究分析，并提出一些見解，以供參考。

在20世紀眾多科學成就中，量子理論毫無疑問是最偉大之一，是眾多物理學家們潛心研究而獲得的成果結晶。量子理論為各種現代物理統一理論的建立提供了框架，50年后又與計算機科學結合了起來，這是一次偉大的技術結合，量子計算這一門新學科因此而誕生，量子計算大廈的大門因此而開啟。量子計算的疊加狀態以及量子計算糾纏態形成的疊加坍縮構成的高并行計算能力，極大地提升了數字計算能力，這無疑為人工智能技術的發展帶去極大的沖擊與推動，目前兩者正處于一種密不可分的相互“糾纏”關系。

1 人工智能與量子計算

1.1 人工智能

伴隨深度學習技術在智能家居、智慧醫療、智慧農業、智能制造、智慧金融、智能駕駛等領域的逐步應用，人工智能技術作為引領這一輪科技革命以及這一輪產業變革的戰略性技術，其產業化無疑已經獲得了令人矚目的效果，并且將其帶動性極強的“頭雁”效應很好地顯示了出來。目前，世界上多個國家，比如英國、法國、德國、美國、日本以及我們國家都將發展人工智能上升至國家級戰略，積極對人工智能競爭的制高點進行搶占。就人工智能的當前發展態勢而言，雖然已經取得了前所未有的發展成績，然而還需要看到伴隨產業化步伐的日漸加快和深度學習技術應用的不斷深化，人工智能發展已經面臨著諸多挑戰，比如主流技術深度學習還存在著一定局限性、基礎數據積累尚難以滿足模型訓練需要、通用智能芯片和計算框架還沒有形成定局等等。從長遠而言，人工智能將分別沿著算力和算法兩條主線不斷向前發展，逐漸帶領人類社會步入人機協同的新時代。

1.2 量子計算

19世紀末的歐洲物理學家們認為物理學的理論大廈已經建成，后人僅僅需要為這座大廈做一些修飾性工作就可以了，他們普遍保持著一種較為樂觀的態度。然而伴隨相關研究的不斷推進，以太之謎和邁克耳遜-莫雷實驗直接導致愛因斯坦將著名的相對論提了出來，熱學中的能量均分理論又與相關實驗的結果不相符合，直接導致眾多物理學家們建立了量子力學。一提到量子力學，或許大家認為如此深奧的物理學理論與自己的生活并沒有實際聯系，然而事實上，我們日常使用的手機、電腦等電子產品中的一些零件在進行設計和生產制造的時候，所依賴的相關技術，就是在量子力學理論的指導下才誕生的，比如激光蝕刻技術。然后慢慢形成了如今較為成熟的產業，將人們的生活予以了徹底改變，這被譽為第一次量子革命。如今世界多個國家的科學團體的主要目標就是如何發展新的量子技術，即量子計算，并提出借此來實現第二次量子革命。

2 人工智能中的量子計算應用

2.1 量子博弈理論

在人工智能中，博弈論的應用變得日漸廣泛，尤其是在分布式人工智能和多智能體系統中。近些年來，在一系列論文研究中博弈論的量子擴展被提出，從而誕生了一種新的理論，即量子博弈論，主要是通過對博弈現象的認知決策過程來加以建模，然后借助量子力學理論的相關方法來對博弈現象及其對策進行研究和描述的交叉科學。量子博弈論為人工智能發展中的一些問題的解決提供了新的工具。比如2016年有這么一只“狗”曾在整個人類社會中掀起了一股軒然大波，即谷歌旗下公司DeepMind基于量子博弈論而研究出來的阿爾法狗，它發布的第一年就戰勝了世界頂級圍棋選手李世石，次年又戰勝了世界第一的柯潔。

2.2 決策問題量子算法

如果所面臨的決策問題數量眾多，那么為了更好地加以管理和解決，就需要借助到決策樹。Farhi等相關學者通過相關研究，發現在決策樹所表示的眾多決策問題的解決上，量子算法可以憑借其指數級的速度，實現對這些決策問題的很好解決。需要注意的是，這并不意味著量子計算有著多么大的優勢，其他經典算法在這類問題的解決上其速度也不遑多讓。

2.3 量子搜索

在人工智能的最初研究階段，大多數研究都和搜索技術有著密切聯系，這主要是由于諸多人工智能問題能夠簡化為搜索，比如信息檢索、定理證明、計劃、調度等，同時相比于人類，計算機往往能夠將這些任務以更快速度加以完成。而Grover算法表明在這項工作的完成效率上，量子計算機比傳統計算機有著更為明顯的優勢。因此人們一直期望在人工智能領域能夠廣泛應用量子計算，從而更好地將各種搜索相關問題加以解決。可以說，在人工智能領域，量子搜索算得上是最早在其中發揮極其重要作用的量子計算技術了。

2.4 量子貝葉斯網絡

統計推論就量子理論來說，說其是核心一點也不為過。這主要是由于量子系統原本從本質上來說就有概率性屬性。貝葉斯方法原本就廣泛應用于經典統計推理之中，特別是近些年，量子貝葉斯規則甚至還出現了各種不同的版本。貝葉斯網絡屬于一種圖形模型，相關概率信息都可以借此來加以表示和推理。尤其是在人工智能領域，其應用變得更加廣泛了。所以在量子世界中，一旦涉及到一些中大型系統行為，有的研究人員就試圖應用到它。比如學者Tucci就曾經借助它的一種量子泛化方法，將略顯復雜的振幅分配于節點，然后再借助具體物理實驗來對概率加以計算。比如學者Pearl曾利用一組局部操作來對它予以增強，借助于這些操作，概率分布行為方式得以因此而制定了出來。學者Laskey對量子因果網絡的概念進行了定義，目的是為了將量子世界因果關系圖模型提供出來，其中超算符表示局部操作。

2.5 自然語言處理

在對自然語言進行語義分析的時候，無論是采用人工智能技術，又或者采用量子力學，人們發現這兩者的數學結構在某些地方存在著一定的相似性。倘若在量子理論框架內，自然語言的少數語義能夠得到恰當表達。比如針對歧義，可以通過疊加來予以表達，那么其實量子算法之于模擬量子系統是極其合適的。這一事實充分證明了，在自然語言的處理上，借助量子計算可以使處理速度得到很大程度的增加。

2.6 模式識別

在人工智能領域，模式識別是一個尤為重要的領域，其一個特例是對物體進行識別。人工智能的研究人員然而僅僅考慮識別和辨別經典物體。物理學家們在過去幾十年里進行了大量的研究，然而這還是在對人工智能了解不足的情況下產生的成果。近些年來，伴隨量子計算的不斷發展以及關注程度日漸加深，一些學者解決了量子門的問題，并對量子測量分辨展開了研究。也有學者考慮到了量子運算在通常情況下是由超算符代表的，隨之其又發現了一個充要條件，并證明了其可行性。然后通過一種最優的協議設計，僅僅需要最少的查詢，就能夠實現快速識別，從而使得量子操作將自身較為完美的分辨能力很好的體現了出來。在這里，還存在一個問題是非常有趣的，即如何借助經典通信和局部操作將作用于多個量子系統上面的量子操作進行區分。

3 量子人工智能研究展望

研究人工智能中量子計算的應用對于人工智能的發展而言是極其重要的，這無疑要求人工智能研究人員、量子物理學家、生物學家、計算機科學家們彼此之間的合作應當更加頻繁和密切，唯有如此，量子人工智能在發展過程中才可能獲得更多技術推動力量，才可能獲得發展希望。根據大數據預測，全球的數據量到了2025年將達到27.49TGB，其中大約的數據會擁有大數據價值。但是面臨如此龐大的數據，早已經超出了處理器和內存的承載上限，考慮到當前的計算能力，要想實現對這些海量數據的處理無疑是一件非常困難的事情，所以這就必須要依靠量子人工智能。近些年來，伴隨各大科技巨頭、研究機構、研究團隊不斷加大對量子人工智能的研究投入和力度，量子人工智能的相關研究態勢如果用一個詞語來形容，那就是爆發，呈現出了爆發式發展態勢。相信在這股浪潮的席卷之下，不但可以使得人工智能由于機器學習精度和效率的提高而獲得進一步發展，還可以促進量子技術因此而更加繁榮。量子人工智能勢必會成為未來30年最重要的顛覆性技術，有望使得數字經濟的繁榮得以因此而延續。

結語：人類在200萬年以前進化出了使用語言為載體來對知識進行傳遞，廣義基因的演化機制因此而啟動，人類文明的發展由此掀開了巨幕，這段時期可以被稱之為人類文明1.0時代。在漫長的歲月中，人類又發明了文字，使得知識的傳遞借助文字成功實現對時空限制的超越，人類文明自此產生了大的躍進，這段時期可以被稱之為人類文明2.0時代。到了2000年左右，伴隨互聯網信息技術的誕生與發展，使得人人都可以輕松便捷的參與知識的創造與分享，人類文明進入了3.0時代。而目前大力研究的量子人工智能，使人類的智慧得以進一步演化，勢必會推動人類文明達到另一個高峰，實現第四次大躍進，即進入4.0時代。可見，在這樣一個時代背景下，研究探討人工智能中的量子計算應用，其重要的意義和作用顯而易見。相信伴隨人工智能逐漸走出小型終端或單機操作的服務模式，勢必會刺激量子計算市場，帶來海量需求，開拓出更為廣闊的發展前景。