量子计算、人工智能与区块链 如何认识这些前沿技术？
编者按
未来5到10年将是全球新一轮科技革命和产业转型从获得动力到群体生成的关键时期。随着世界新一轮科技革命的迅速发展，颠覆性的技术创新正在涌动，其中量子计算、人工智能和区块链最为引人注目。这些颠覆性的技术与中国传统文化有关吗？与基础科学(如数学和物理)有什么关系？如何客观地认识这些先进技术？本期特刊发布了2018年1月获得*国际科学技术合作奖的美国理论物理学家、中国科学院外国院士张首晟的报告。
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项基础技术。未来，为了使信息技术真正实现跨越式发展，我们必须重视基础科学，这需要物理和数学，因为物理和数学与信息技术革命密切相关。
“天使粒子”的发现改变了量子计算机研发的困境。
在我们谈论量子计算之前，让我们讲一个关于与“天使粒子”相关的科学发现的故事。现代许多有趣的科学发现都与哲学观念的变化有关，包括中华民族那些根深蒂固的古老哲学观念。例如，这个世界似乎一直是一个积极和消极对立的世界。正数必须有负数，阴必须有阳，善必须有恶。这种对立的世界观也存在于基本粒子的物理世界中。
曾经有一个非常伟大的理论物理学家狄拉克，他把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学统一起来。在统一的过程中，他做了一个非常简单的数学运算，并做了一个偏旁部首。当根符号打开时，总会有积极和消极的解决方案。一般人可能只关心“积极的解决方案”，而不关心“消极的解决方案”。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，物理学中没有发现反粒子。每个人都非常质疑他，说他的等式肯定是错的。他坚持认为他的等式是正确的。五年后，他非常幸运。事实上，在宇宙射线中，物理学家发现了电子的反粒子——正粒子，命名为狄拉克海。
从那时起，基本粒子物理学已经发现了质子和反质子，中子和反质子，并得到了应用。例如，正电子已经广泛应用于医学领域。有一种医学测试叫做宠物。正电子和负电子可以用于成像。测量老年痴呆症的最好方法是制作宠物。
今天，中国人非常关心科学的发展。科学发展的最大推动力是什么？我认为这是对生活的好奇。在理论物理学家的历史上，比如牛顿，在苹果树下，苹果掉了下来，启发了他，重力被发现了。当爱因斯坦坐在电梯里时，他觉得电梯的上下运动与重力非常相似，从而创造了伟大的广义相对论。
此外，科学发展不应该迷信权威。狄拉克成了一位非常著名的理论物理学家，科学家们都坚信世界上有粒子，也一定有反粒子。但是另一位伟大的理论物理学家马略纳出于好奇，问世界上是否有没有反粒子的粒子。他发明了Mayonnah方程，这个方程极好地描述了一个没有反粒子的粒子，或者是它自己的反粒子。
后来，整个物理学圈都在寻找它一直梦想的两个粒子。一个粒子被称为“上帝粒子”。2012年，它在欧洲的一个加速器中被发现。预测到这一点的物理学家希格斯获得了诺贝尔奖，另一个是“梅昂纳费蒙”。
我做理论物理工作，理论物理学家通常做预测，让实验物理学家来测试。我的实验小组在2010年预测蛋黄酱费米子可以在一个组合装置中找到。然而，我们仍然需要找到一个信号来证明这些粒子的存在。
有一天，我认为多数粒子只有一面，没有反面，所以在某种意义上它是普通粒子的一半。我们的理论团队做出了一个大胆的预测:既然马略纳粒子不同于普通粒子，在某种意义上它只是普通粒子的一半。因此，它的导电性会不同。通常，粒子电导率是0、1、2和3的整数倍，这将不可避免地导致半整数倍的电导率阶跃。我们预测它将有0.5或1/2的步长。后来，我们的理论团队与实验团队紧密合作，进行了实验观察。事实上，在0.5的地方，你可以看到实验的原始模式。在0.5的地方，台阶出现了，证明了玛雅纳费米恩的存在。我们把它命名为“天使粒子”，每个人都非常喜欢它。
“天使粒子”和信息技术的发展有什么关系？
今天的计算机被分成两类，古典计算机和量子计算机。有些问题可以用经典的计算机很容易地解决。例如，通过乘以两个大数，经典计算机可以快速计算。然而，一个数可以被分成另外两个数的乘积。例如，15可以写成3乘以5。如果这个数字相对较小，你可以自己计算。但是要给你一个大的数字，经典计算机需要很长时间来计算这个数字是否是两个数字的乘积，因为它使用的算法是穷举方法，将所有可能被除的数字一个一个地除，最后确认这是否是两个数字的乘积。经典的计算机计算起来很慢。
经典的计算机只能用穷举的方法得出答案。但是量子世界是一个非常神奇的世界，一个平行的世界。例如，在一个著名的实验中，如果我释放一个粒子，比如一个光子，它有两个洞，要么在左边，要么在右边。然而，量子世界内部有一个真正的平行，一个基本粒子在某个时刻同时穿过两个洞。如果是左或右，则图像不是显示的图像。
量子世界本身是平行的。如果我们用量子世界来计算，我们可以在几秒钟内计算出所有的可能性，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。然而，实际上制造这种量子计算机是非常困难的。例如，经典计算机最基本的单位是比特，也就是说，如果信息是0或1，所有的信息都可以用0或1来表示。这是经典计算机的概念。但是在量子世界中，粒子同时穿过左洞和右洞，处于叠加状态。一个量子位不能分辨它是0还是1。它处于0和1重叠的状态。让我们听一个比喻。薛定谔猫处于死亡和生命的叠加状态。这是一个非常奇妙的现象。然而，由于这一基本现象，它表明量子比特本身并不十分稳定。如果你环顾四周，你会知道它要么在左边，要么在右边，要么在0，要么在1，任何噪音都会对量子位造成很大的干扰。
最近，量子计算机已经成为世界和美国著名公司特别关注的问题。谷歌、微软、IBM和英特尔都在投资，但他们根本无法解决这个问题，因为量子位非常不稳定。如果你告诉我们一天制造了50个量子位，关键问题是有多少有用的位。如果只有一个有用的比特，在这种量子计算的框架下，常常需要10、20、甚至40、50个纠错比特来服务它，这使得量子计算很难实现。
但是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。量子比特有自己的纠错能力，这就是为什么我通常可以把一个量子比特分成两个天使粒子。普通粒子有两面，天使粒子只有一面，所以天使粒子通常只相当于一个粒子的一半。所以通常一个量子位可以和两个天使粒子一起储存。一旦两个粒子被用来储存它，它们就会在遥远的地方相互纠缠。经典世界中的噪声不会相互纠缠，因此不可能用噪声破坏天使粒子储存的量子，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做了一次演讲，说天使粒子是令人兴奋的发现。我们可以用任意多的比特来制造量子计算机。我们不需要添加纠错位，我们有纠错功能。这将在量子计算机的飞速发展中发挥作用。
机器人能够做出科学发现的那一天，智能机器超越人类的那一天
人工智能作为一个基本概念，从20世纪60年代就被提出来了。今天，人工智能能够突飞猛进地发展，主要是由于许多新技术的结合。根据摩尔定律的迭代，它可以每18个月翻一番。如果我们使用量子计算，它不仅会在18个月内根据摩尔定律翻倍，而且会完全从量变变成质变。多年来，人类的计算能力一直在增长。互联网和物联网的诞生产生了大量的数据。智能算法经历了巨大的变化。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。无论算法有多好，无论计算机有多强大，没有数据它都不能成为人工智能。
人工智能，虽然我现在看到它突飞猛进，但我认为它仍处于非常早期的阶段。你为什么这么说？让我们做一个简单的类比。例如，我们曾经看到鸟在飞，人们非常想飞。然而，早期学习飞行只是一种简单的仿生，翅膀绑在人的手臂上。这是一个简单的仿生。但是飞行的真正成就是由于人类对飞行的第一原则——空气动力学的理解。利用物理原理和数学方程，人们可以人工设计出最好的飞机。今天的飞机飞得高、快、好，但不像鸟，这是核心点。
目前，人工智能主要是简单地模仿人类神经元，但我们应该更多地考虑的是，基础科学有一个重大突破的机会。我们应该真正理解智能和智能的基本原理，以便真正使人工智能发生根本性的变化。
人工智能在什么基础上才能真正达到人类标准？有些人可能听说过图灵测试，这意味着人们与机器交谈，但他们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却一点感觉都没有，那么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。许多人类情感不是理性的情感。对于一个理性的机器来说，从一个非理性的人脑中学习可能并不容易。
所以我想提出一个新的判断方法，哪一天智能机器人会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能做出科学发现。在机器人能够真正做出科学发现的那一天，机器将超越人类。
最近，我写了一篇关于人工智能的文章，这篇文章将发表在美国科学院杂志上。它将提到人类最伟大的科学发现包括相对论和量子力学。化学上最伟大的发现是元素周期表的发现。智能机器能在没有任何指导的情况下自动发现元素周期表吗？我们能帮助人类找到新药吗？我们能通过机器学习找到新材料吗？这些是判断人工智能水平的标准。
要实现区块链和人工智能的共存和发展，它们将是最有价值的。
在当今世界，个人会产生大量的数据，个人基因数据，医疗数据，教育数据，行为数据等等。，这是人工智能发展所特别需要的。许多数据保存在*组织中，并没有真正去集中化。区块链这一代人可以创造一个分散的数据市场。
我用一句话描述了区块链的整个思想，叫做“在数学上我们信任”。这个想法是基于数学的。整个区块链乃至整个信息技术领域最基本的东西是基础数学，它可以保护个人隐私，并在数据市场中进行合理的统计计算。例如，有一种非常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非常有价值，但不会告诉你真正的私有数据在哪里。
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平是人们倾向于歧视一些少数民族。但是在机器学习过程中最需要的是那些少数民族拥有的数据。如果今天机器学习的准确率达到90%，提高90%到99%，它需要的不是已经学习的数据，而是与以前的数据不同的数据。通常少量的数据对于机器学习来说是最有价值的。一旦我们的数据建立在区块链的基础上，加上这些美妙的数学算法，我们就能拥有一个健康的数据市场。在这个世界上，要实现区块链和人工智能的概念彼此共存，它们将是最有价值的。
对整个区块链来说，公众对它的理解并不是最基本的首要原则。就物理学最基本的原理而言，达成共识就像每个人都同意同一个“书”，这就相当于在物理学中，磁铁原本是混沌的，但在铁磁状态下，它们都指向同一个方向。
自然界也达成了共识。这种现象被称为熵减少。如果我们一致认为每个人都朝着一个方向前进，那么这个状态的熵就比混沌状态的熵小得多。很难达成共识，因为熵总是在增加。
所有能在区块链问题上达成共识的系统都使用消耗能量的算法。这听起来不合理，为什么这个账户要消耗能量，但是从物理学的第二个定理来看，这是一件非常合理的事情，因为达成共识本身就是熵的减少，但是整个世界的熵必须增加，所以达成共识的同时必须排除其他熵。这种非集中机制与自然界非常相似，在自然界中，磁体从混沌状态移动到有序的铁磁状态。消耗能源和付出代价也是一种必然趋势。
因此，理想的信息世界是每个人在未来都拥有自己的所有数据，并以分散的方式完全存储，这样黑客就不能黑进每个人的数据。然后，在区块链上使用一些加密算法不仅可以保护个人隐私，而且可以做出很好的计算，这不会像脸书上的许多个人数据被盗那样发生。
我们今天要解决的量子计算、人工智能和区块链技术的问题都是全人类的问题。中国科学家将面临巨大的机遇。除了在应用科学和技术方面做好工作之外，在基础科学方面也应该有真正原创性的突破，如上面介绍的物理和数学原理，尽管这些东西听起来很抽象，如熵增原理和正电子和正电子。世界的奇迹是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，本版的主题文章是作者最近在2018中国(深圳)信息技术*峰会上的报告。记者闫和袁采访并整理出来。)