近日,上映的科幻巨作《流浪地球2》中,擁有超強算力和自我意識的人工智能量子計算機MOSS讓人驚嘆。這臺維系人類社會生存的“唯一核心工具”決定了人類的命運,。影片中,MOSS滿足上萬臺行星發(fā)動機的協(xié)同運作,支持“數(shù)字生命計劃”所需的巨量算力。人工智能量子計算機作為人類未來最強大的生產(chǎn)工具,其科學性與現(xiàn)實性如何?未來又將給人類帶來怎樣顛覆性的影響?

人類與生產(chǎn)工具:“勞動創(chuàng)造人類”

人類與生產(chǎn)工具結合的歷史貫穿人類智慧物種的進化史和文明史,。生產(chǎn)工具是人們在生產(chǎn)過程中用來直接對勞動對象進行加工的物件,起著傳導勞動的作用。制造和使用生產(chǎn)工具是人區(qū)別于其他動物的標志,是人類勞動過程獨有的特征,。在工具的制造與使用中,人類大腦得到快速開發(fā),使人類成為區(qū)別與其他動物的重要標志,。生產(chǎn)工具的演變歷史貫穿整個人類文明。每一次的工具變革都凝結著人類的創(chuàng)造性勞動與智慧結晶,推動著人類社會生產(chǎn)方式的進步,。

在近萬年的進化史上,人類的勞動工具經(jīng)歷幾次重大的變革:石器——讓人類雙手得到延申,彌補了肢體機能不足;火種——讓人類消化系統(tǒng)得到增強,延長了人類壽命;青銅和鐵——讓人類從完全依賴碳氫氧元素的物種走向能夠利用全元素周期表的智人;文字和紙張——讓人類感官極限得以突破,使知識與文化跨越時空傳播成為可能;蒸汽機——讓人類社會不再依賴輔酶三磷酸腺苷ATP提供的生物力作為主要能源;電力和電氣——讓人類走進微觀世界的大門,成為第一個可有意識利用電磁場的生物;電子計算機——讓人類大腦智能極大增強,拓展了信息記憶,、處理等思維能力。從歷史發(fā)展的長河來看,這些生產(chǎn)工具的變革在悄然中改變了人類社會形態(tài),。 伴隨著人工智能,、量子計算的技術發(fā)展與變革,人工智能和量子計算機登上了時代舞臺,它們的結合正在逐步釋放人類大腦的無限潛能,推動人類智能的延申。我們是否可以猜想具備人工智能的量子計算機將有可能讓人類成為不依賴生物大腦工作的宇宙新物種?

什么是人工智能?

人工智能 (AI) 是一門研究計算機如何實現(xiàn)人類智能的科學,。它涉及到計算機程序如何處理大量數(shù)據(jù),、識別模式、學習,、推理,、決策等問題,以達到與人類相似的智能表現(xiàn)。近年來,人工智能技術的發(fā)展迅猛,已在計算機視覺,、自然語言處理,、機器翻譯等方面都取得了先進的科研成果。人工智能技術的廣泛應用已惠及諸多行業(yè),如語音識別,、圖像識別,、自動駕駛汽車、機器人,、智能家居等,。

什么是量子計算?

利用量子疊加或糾纏特性,并基于線性代數(shù)希爾伯特空間的矩陣變換進行計算的技術被稱之為量子計算。與之對應,利用二進制的數(shù)字信號,并基于布爾代數(shù),來進行運算的技術被稱之為經(jīng)典計算,。雖然經(jīng)典計算能夠實現(xiàn)很多復雜算法,但它的效率受限于構成計算機的晶體管數(shù)目規(guī)模,。

量子計算是一項顛覆性的計算技術,具有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力,能夠在特定復雜問題上實現(xiàn)指數(shù)級計算加速,。由于量子態(tài)具有疊加特性,它所攜帶的信息可以處于0和1之間的疊加態(tài),這使得量子比特可以攜帶比經(jīng)典比特更多的信息。利用這種特性運行的量子算法,就可以在很多復雜算法問題上超越經(jīng)典計算的效率,幫助我們解決一些過去經(jīng)典計算難以解決的復雜問題,。對于部分復雜問題以現(xiàn)有的超級計算機可能要花費數(shù)十年乃至數(shù)萬年才能解決,而量子計算機可以在數(shù)小時內就能給出可信的結果,。

人工智能+量子計算,碰撞出怎樣的火花?

靈感與智慧的碰撞會產(chǎn)生思維的火花,量子與人工智能的碰撞將加速時代的智能化進程。在學科和理論層面,量子人工智能屬于量子計算與人工智能的交叉學科,。在實際應用層面,量子計算與人工智能的技術融合將重新定義人類文明,。

拉動人工智能發(fā)展的三駕馬車分別是數(shù)據(jù)、算力與算法,。數(shù)據(jù)為AI技術的生長提供了一片沃土,算力是人工智能技術發(fā)展與應用的重要推手,算法則為人工智能提供了技術底座,。

人工智能系統(tǒng)通常依賴大量數(shù)據(jù)執(zhí)行任務并決策,量子計算可以為人工智能提供強大的算力支持。在處理龐大數(shù)據(jù)和解決復雜數(shù)據(jù)集的分類問題時,經(jīng)典計算遍歷搜索的運算模式往往事倍功半,。反觀量子計算,其并行計算的運算模式是事半功倍,。量子計算機能同時訪問數(shù)據(jù)庫中的所有項、搜索龐大未分類的數(shù)據(jù)集,并以極快的速度發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)律或異常,。在人工智能行業(yè)中,高算力人工智能芯片是人工智能發(fā)展的必要條件,。正是人工智能技術的高算力需求,為量子計算與人工智能的技術融合趨勢提供了良好的發(fā)展契機。

算法是人工智能的最底層框架,量子計算可以強化人工智能算法預測的準確性,。例如,在量子計算算力加持下的人工智能算法能分析大量藥物分子數(shù)據(jù),以識別潛在的藥物靶點,并準確預測不同化合物的有效性,。模擬藥物和蛋白質之間相互作用也需要經(jīng)過大量計算。通過量子計算機執(zhí)行這些模擬操作,藥物發(fā)現(xiàn)的準確性將大幅提高,。未來理想的通用量子計算機可以同時執(zhí)行數(shù)十億個操作,快速為人工智能解決高度復雜的問題,。

由量子計算機驅動的人工智能技術將會觸及每個行業(yè)。如量子自然語言處理(QNLP)技術可以創(chuàng)建語音控制的對話代理并應用于語音助手;人工智能量子算法可以快速改進自動駕駛系統(tǒng);人工智能量子模擬技術提高候選藥物的準確性以降低巨額研發(fā)成本,。量子與人工智能的技術融合還將廣泛應用于藥物研究,、分子化學、蛋白質折疊模擬等研究領域,投資組合優(yōu)化,、量子期權定價,、股票時序預估等金融領域,航空動力、交通規(guī)劃等多領域,。量子計算與人工智能的結合將會發(fā)揮出經(jīng)典計算無法比擬的技術優(yōu)勢,。

量子計算的發(fā)展現(xiàn)狀如何?

在《流浪地球2》中,具有超強算力的人工智能量子計算機MOSS展現(xiàn)出無可比擬的超強算力,賺足了觀眾的眼球。但在現(xiàn)實世界中,量子計算機還需科學家們長時間潛心鉆研才有可能實現(xiàn)科幻片里所呈現(xiàn)的強大功能,。

量子計算的發(fā)展有三個階段:第一階段,通用量子計算機的原型機;第二階段,中規(guī)模含噪聲量子計算機(NISQ);第三階段,大規(guī)?？扇蒎e通用量子計算機。當前整個量子計算產(chǎn)業(yè)仍處于中規(guī)模含噪聲量子計算機(NISQ)的初級階段,。

近年來,量子計算技術與產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展,許多公司和研究機構推出了商業(yè)化的量子計算機,并在量子優(yōu)化,、量子密碼學、量子機器學習等領域取得重大的科研成果,。然而,量子計算目前仍然面臨著一些技術難題,例如量子計算芯片的穩(wěn)定性和可靠性問題,、量子算法的效率和復雜度問題等,。未來,量子計算與神經(jīng)網(wǎng)絡技術結合、量子-經(jīng)典混合計算,、非厄米量子計算、分布式量子計算將會不斷克服這些技術難題,為量子計算開拓更廣闊的邊界,。

如果地球終將流浪,分布式離子阱量子計算機將是數(shù)萬行星發(fā)動機的智能大腦

在“未來世界”,隨著地球的生態(tài)環(huán)境日漸惡化,毀滅性的災難隨時降臨,。在這種復雜且惡劣的環(huán)境中,哪種人工智能量子計算機才是“拯救地球”的最佳方案?一般認為,這種量子計算機需要具有分布式的特征,這樣才能提高其生存和適應能力。目前在離子阱,、超導,、光量子、半導體量子點等多種技術路線中,離子阱技術具有良好的分布式特征,它可以實現(xiàn)“物質比特-可見光子”糾纏,通過光子傳輸,實現(xiàn)多臺量子計算機組網(wǎng)并發(fā)揮作用,。采用分布式離子阱技術的人工智能量子計算機的獨特優(yōu)勢如下:

理論算力可無限擴展

如果未來地球僅由一臺人工智能計算機控制,那就要求其算力擴展不受限制,以滿足不斷增加的控制對象對超大算力的需求,。理論上,分布式量子計算機可以通過增加算力節(jié)點來無限擴展算力。

分布式可最大限度提升算力安全保障

分布式技術可將較為復雜的計算任務分解成若干子任務,再通過光子互聯(lián)的方式分發(fā)給若干小規(guī)模量子計算單元機,最終實現(xiàn)與較大規(guī)模的量子計算機相同的計算效果,。假如某一區(qū)域的突發(fā)災難導致分布式量子計算機的某一個單元機遭受破壞,也將不會影響分布式量子計算機整體的運算任務,“流浪地球”的“拯救計劃”依然可以順利進行,。

光子互聯(lián)可實現(xiàn)節(jié)點間的光速同步

囚禁離子與可以發(fā)射出的光子實現(xiàn)糾纏,發(fā)射出的光子直接上行到光纖網(wǎng)絡中,將量子比特信息傳輸?shù)讲煌牧孔佑嬎銌卧獧C,完成對復雜計算任務的分布式計算。

那么這種分布式的離子阱量子計算機是否存在呢?目前全球以離子阱為主要技術路線的量子計算公司不在少數(shù),。比如美國的IonQ以發(fā)展高集成度的芯片離子阱為主要特色,Honeywell以深厚的工業(yè)制造積累和控制技術為主要特色,英國的Universal Quantum以構建可擴展離子阱量子計算機為主要特色,。而在中國,啟科量子作為世界首家以分布式技術為主攻方向,研發(fā)離子阱量子計算機的高科技企業(yè),近期發(fā)布了國內首臺離子阱量子計算工程機“天算1號”。

啟科量子計算研發(fā)副總裁韓琢表示:“啟科量子將利用獨有的分布式技術,在天算1號的基礎上,進一步著力發(fā)展以“離子-光子”糾纏為基礎的分布式技術,實現(xiàn)多臺量子計算機組網(wǎng),發(fā)揮優(yōu)勢實現(xiàn)數(shù)千量子比特的分布式運算,并在可見的未來實現(xiàn)分布式量子計算網(wǎng)絡,使得利用百萬級別的量子比特來實現(xiàn)通用量子計算成為可能,?！?/p>

圖:天算1號工程機外觀圖

結語

在《流浪地球2》的片尾,維系著人類生存的MOSS指引了未來的答案:“從歷史上看,人類的命運取決于人類的選擇”。面對行星對撞危機的命運,航天員劉培強最終舍身“選擇了希望”,。而面對量子計算機與人工智能結合的未來,人類又將做出何種選擇?這將是擺在全人類面前的科技與時代之問,。