近日,上映的科幻巨作《流浪地球2》中,擁有超強(qiáng)算力和自我意識(shí)的人工智能量子計(jì)算機(jī)MOSS讓人驚嘆,。這臺(tái)維系人類社會(huì)生存的“唯一核心工具”決定了人類的命運(yùn),。影片中,MOSS滿足上萬臺(tái)行星發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同運(yùn)作,支持“數(shù)字生命計(jì)劃”所需的巨量算力,。人工智能量子計(jì)算機(jī)作為人類未來最強(qiáng)大的生產(chǎn)工具,其科學(xué)性與現(xiàn)實(shí)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(dòng)創(chuàng)造人類”

人類與生產(chǎn)工具結(jié)合的歷史貫穿人類智慧物種的進(jìn)化史和文明史,。生產(chǎn)工具是人們?cè)谏a(chǎn)過程中用來直接對(duì)勞動(dòng)對(duì)象進(jìn)行加工的物件,起著傳導(dǎo)勞動(dòng)的作用。制造和使用生產(chǎn)工具是人區(qū)別于其他動(dòng)物的標(biāo)志,是人類勞動(dòng)過程獨(dú)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(dòng)物的重要標(biāo)志,。生產(chǎn)工具的演變歷史貫穿整個(gè)人類文明。每一次的工具變革都凝結(jié)著人類的創(chuàng)造性勞動(dòng)與智慧結(jié)晶,推動(dòng)著人類社會(huì)生產(chǎn)方式的進(jìn)步。

在近萬年的進(jìn)化史上,人類的勞動(dòng)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(bǔ)了肢體機(jī)能不足;火種——讓人類消化系統(tǒng)得到增強(qiáng),延長(zhǎng)了人類壽命;青銅和鐵——讓人類從完全依賴碳?xì)溲踉氐奈锓N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(shí)與文化跨越時(shí)空傳播成為可能;蒸汽機(jī)——讓人類社會(huì)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(jìn)微觀世界的大門,成為第一個(gè)可有意識(shí)利用電磁場(chǎng)的生物;電子計(jì)算機(jī)——讓人類大腦智能極大增強(qiáng),拓展了信息記憶,、處理等思維能力,。從歷史發(fā)展的長(zhǎng)河來看,這些生產(chǎn)工具的變革在悄然中改變了人類社會(huì)形態(tài)。 伴隨著人工智能,、量子計(jì)算的技術(shù)發(fā)展與變革,人工智能和量子計(jì)算機(jī)登上了時(shí)代舞臺(tái),它們的結(jié)合正在逐步釋放人類大腦的無限潛能,推動(dòng)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)人類智能的科學(xué)。它涉及到計(jì)算機(jī)程序如何處理大量數(shù)據(jù),、識(shí)別模式,、學(xué)習(xí)、推理,、決策等問題,以達(dá)到與人類相似的智能表現(xiàn),。近年來,人工智能技術(shù)的發(fā)展迅猛,已在計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理,、機(jī)器翻譯等方面都取得了先進(jìn)的科研成果,。人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用已惠及諸多行業(yè),如語音識(shí)別、圖像識(shí)別,、自動(dòng)駕駛汽車,、機(jī)器人、智能家居等,。

什么是量子計(jì)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(jìn)行計(jì)算的技術(shù)被稱之為量子計(jì)算,。與之對(duì)應(yīng),利用二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào),并基于布爾代數(shù),來進(jìn)行運(yùn)算的技術(shù)被稱之為經(jīng)典計(jì)算,。雖然經(jīng)典計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)很多復(fù)雜算法,但它的效率受限于構(gòu)成計(jì)算機(jī)的晶體管數(shù)目規(guī)模,。

量子計(jì)算是一項(xiàng)顛覆性的計(jì)算技術(shù),具有經(jīng)典計(jì)算無法比擬的巨大信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力,能夠在特定復(fù)雜問題上實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)計(jì)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(yùn)行的量子算法,就可以在很多復(fù)雜算法問題上超越經(jīng)典計(jì)算的效率,幫助我們解決一些過去經(jīng)典計(jì)算難以解決的復(fù)雜問題,。對(duì)于部分復(fù)雜問題以現(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)可能要花費(fèi)數(shù)十年乃至數(shù)萬年才能解決,而量子計(jì)算機(jī)可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)就能給出可信的結(jié)果。

人工智能+量子計(jì)算,碰撞出怎樣的火花?

靈感與智慧的碰撞會(huì)產(chǎn)生思維的火花,量子與人工智能的碰撞將加速時(shí)代的智能化進(jìn)程,。在學(xué)科和理論層面,量子人工智能屬于量子計(jì)算與人工智能的交叉學(xué)科,。在實(shí)際應(yīng)用層面,量子計(jì)算與人工智能的技術(shù)融合將重新定義人類文明。

拉動(dòng)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(shù)的生長(zhǎng)提供了一片沃土,算力是人工智能技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的重要推手,算法則為人工智能提供了技術(shù)底座。

人工智能系統(tǒng)通常依賴大量數(shù)據(jù)執(zhí)行任務(wù)并決策,量子計(jì)算可以為人工智能提供強(qiáng)大的算力支持,。在處理龐大數(shù)據(jù)和解決復(fù)雜數(shù)據(jù)集的分類問題時(shí),經(jīng)典計(jì)算遍歷搜索的運(yùn)算模式往往事倍功半,。反觀量子計(jì)算,其并行計(jì)算的運(yùn)算模式是事半功倍。量子計(jì)算機(jī)能同時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫中的所有項(xiàng),、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(shù)的高算力需求,為量子計(jì)算與人工智能的技術(shù)融合趨勢(shì)提供了良好的發(fā)展契機(jī)。

算法是人工智能的最底層框架,量子計(jì)算可以強(qiáng)化人工智能算法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,。例如,在量子計(jì)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(shí)別潛在的藥物靶點(diǎn),并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同化合物的有效性,。模擬藥物和蛋白質(zhì)之間相互作用也需要經(jīng)過大量計(jì)算。通過量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行這些模擬操作,藥物發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性將大幅提高,。未來理想的通用量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行數(shù)十億個(gè)操作,快速為人工智能解決高度復(fù)雜的問題,。

由量子計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的人工智能技術(shù)將會(huì)觸及每個(gè)行業(yè)。如量子自然語言處理(QNLP)技術(shù)可以創(chuàng)建語音控制的對(duì)話代理并應(yīng)用于語音助手;人工智能量子算法可以快速改進(jìn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng);人工智能量子模擬技術(shù)提高候選藥物的準(zhǔn)確性以降低巨額研發(fā)成本,。量子與人工智能的技術(shù)融合還將廣泛應(yīng)用于藥物研究,、分子化學(xué)、蛋白質(zhì)折疊模擬等研究領(lǐng)域,投資組合優(yōu)化,、量子期權(quán)定價(jià),、股票時(shí)序預(yù)估等金融領(lǐng)域,航空動(dòng)力、交通規(guī)劃等多領(lǐng)域,。量子計(jì)算與人工智能的結(jié)合將會(huì)發(fā)揮出經(jīng)典計(jì)算無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì),。

量子計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀如何?

在《流浪地球2》中,具有超強(qiáng)算力的人工智能量子計(jì)算機(jī)MOSS展現(xiàn)出無可比擬的超強(qiáng)算力,賺足了觀眾的眼球。但在現(xiàn)實(shí)世界中,量子計(jì)算機(jī)還需科學(xué)家們長(zhǎng)時(shí)間潛心鉆研才有可能實(shí)現(xiàn)科幻片里所呈現(xiàn)的強(qiáng)大功能,。

量子計(jì)算的發(fā)展有三個(gè)階段:第一階段,通用量子計(jì)算機(jī)的原型機(jī);第二階段,中規(guī)模含噪聲量子計(jì)算機(jī)(NISQ);第三階段,大規(guī)?？扇蒎e(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)。當(dāng)前整個(gè)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)仍處于中規(guī)模含噪聲量子計(jì)算機(jī)(NISQ)的初級(jí)階段,。

近年來,量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展,許多公司和研究機(jī)構(gòu)推出了商業(yè)化的量子計(jì)算機(jī),并在量子優(yōu)化,、量子密碼學(xué)、量子機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域取得重大的科研成果,。然而,量子計(jì)算目前仍然面臨著一些技術(shù)難題,例如量子計(jì)算芯片的穩(wěn)定性和可靠性問題,、量子算法的效率和復(fù)雜度問題等。未來,量子計(jì)算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合,、量子-經(jīng)典混合計(jì)算,、非厄米量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算將會(huì)不斷克服這些技術(shù)難題,為量子計(jì)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(jì)算機(jī)將是數(shù)萬行星發(fā)動(dòng)機(jī)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(zāi)難隨時(shí)降臨,。在這種復(fù)雜且惡劣的環(huán)境中,哪種人工智能量子計(jì)算機(jī)才是“拯救地球”的最佳方案?一般認(rèn)為,這種量子計(jì)算機(jī)需要具有分布式的特征,這樣才能提高其生存和適應(yīng)能力。目前在離子阱,、超導(dǎo),、光量子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)等多種技術(shù)路線中,離子阱技術(shù)具有良好的分布式特征,它可以實(shí)現(xiàn)“物質(zhì)比特-可見光子”糾纏,通過光子傳輸,實(shí)現(xiàn)多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)組網(wǎng)并發(fā)揮作用,。采用分布式離子阱技術(shù)的人工智能量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)如下:

理論算力可無限擴(kuò)展

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

分布式可最大限度提升算力安全保障

分布式技術(shù)可將較為復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)分解成若干子任務(wù),再通過光子互聯(lián)的方式分發(fā)給若干小規(guī)模量子計(jì)算單元機(jī),最終實(shí)現(xiàn)與較大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)相同的計(jì)算效果,。假如某一區(qū)域的突發(fā)災(zāi)難導(dǎo)致分布式量子計(jì)算機(jī)的某一個(gè)單元機(jī)遭受破壞,也將不會(huì)影響分布式量子計(jì)算機(jī)整體的運(yùn)算任務(wù),“流浪地球”的“拯救計(jì)劃”依然可以順利進(jìn)行,。

光子互聯(lián)可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的光速同步

囚禁離子與可以發(fā)射出的光子實(shí)現(xiàn)糾纏,發(fā)射出的光子直接上行到光纖網(wǎng)絡(luò)中,將量子比特信息傳輸?shù)讲煌牧孔佑?jì)算單元機(jī),完成對(duì)復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的分布式計(jì)算。

那么這種分布式的離子阱量子計(jì)算機(jī)是否存在呢?目前全球以離子阱為主要技術(shù)路線的量子計(jì)算公司不在少數(shù)。比如美國(guó)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(shù)為主要特色,英國(guó)的Universal Quantum以構(gòu)建可擴(kuò)展離子阱量子計(jì)算機(jī)為主要特色,。而在中國(guó),啟科量子作為世界首家以分布式技術(shù)為主攻方向,研發(fā)離子阱量子計(jì)算機(jī)的高科技企業(yè),近期發(fā)布了國(guó)內(nèi)首臺(tái)離子阱量子計(jì)算工程機(jī)“天算1號(hào)”,。

啟科量子計(jì)算研發(fā)副總裁韓琢表示:“啟科量子將利用獨(dú)有的分布式技術(shù),在天算1號(hào)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步著力發(fā)展以“離子-光子”糾纏為基礎(chǔ)的分布式技術(shù),實(shí)現(xiàn)多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)組網(wǎng),發(fā)揮優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)數(shù)千量子比特的分布式運(yùn)算,并在可見的未來實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò),使得利用百萬級(jí)別的量子比特來實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算成為可能?！?/p>

圖:天算1號(hào)工程機(jī)外觀圖

結(jié)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(yùn)取決于人類的選擇”,。面對(duì)行星對(duì)撞危機(jī)的命運(yùn),航天員劉培強(qiáng)最終舍身“選擇了希望”。而面對(duì)量子計(jì)算機(jī)與人工智能結(jié)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(shí)代之問,。