到10的未來五年，將是全球新壹輪科技革命和產業變革的關鍵時期，從蓄勢待發。隨著全球新壹輪科技革命的快速發展，顛覆性的技術創新風起雲湧，其中最引人註目的包括量子計算、人工智能和區塊鏈。這些顛覆性的技術與中國的傳統文化有關嗎？與基礎科學(如數學、物理)有什麽關系？如何客觀認識這些前沿技術？本期特刊發布2065438+2008年10月獲得中華人民共和國國際科技合作獎的美國理論物理學家、中國科學院外籍院士張首晟的報告。
目前，量子計算、人工智能和區塊鏈是整個信息技術產業最重要的三大基礎技術。在未來，為了使信息技術真正實現跨越式發展，我們必須重視基礎科學，基礎科學既需要物理，也需要數學，因為物理和數學與信息技術革命密切相關。
“天使粒子”的發現改變了量子計算機的研發困境。
在說量子計算之前，我們先來說說與“天使粒子”相關的科學發現故事。近代很多有趣的科學發現都與哲學觀念的轉變有關，包括那些根深蒂固的中華民族的古代哲學觀念。比如，似乎這個世界從來都是壹個正反對立的世界。有正數就壹定有負數。有陰必有陽。有善必有惡。這種對立的世界觀也存在於基本粒子的物理世界中。
歷史上有壹位偉大的理論物理學家狄拉克。他將愛因斯坦的狹義相對論與量子力學統壹起來。在統壹的過程中，他做了壹個很簡單的數學運算，開了壹個根號。開根號，總會有正反解。大多數人可能只關心“正解”而不關心“負解”。狄拉克把“負解”解釋為壹切粒子必有反粒子，預言壹切粒子必有反粒子。
1928年，物理學中沒有發現反粒子，大家都很質疑他，說他的方程肯定是錯的。他堅持認為他的方程式是正確的。五年後，他非常幸運。果然，在宇宙的輻射中，物理學家發現了電子的反粒子，也就是正電子，命名為狄拉克海。
此後，基本粒子物理學發現壹些質子發現了反質子，壹些中子也發現了反質子，並得到了應用。例如，正電子已經廣泛應用於醫學領域。有壹種醫學檢驗叫PET，可以用正電子和負電子成像。衡量阿爾茨海默病的最好方法是做PET。
今天，中國人民非常關心科學發展。科學發展的最大動力是什麽？我覺得是對生活的好奇。歷史上的理論物理學家，比如牛頓，都是受蘋果樹下蘋果掉落的啟發，發現了萬有引力。愛因斯坦坐電梯的時候，感覺重力的作用和電梯的作用很像，創造了偉大的廣義相對論。
另外，科學的發展不應該迷信權威。狄拉克成為非常著名的理論物理學家後，科學家們非常確信世界上有粒子，壹定有反粒子。但另壹位偉大的理論物理學家馬約拉納出於好奇，問世界上是否會存在壹些沒有反粒子的粒子。他發明了馬約拉納方程，精彩地描述了有壹個粒子沒有反粒子，或者說它是自己的反粒子。
後來，整個物理學界都在尋找他們夢寐以求的兩種粒子。有壹種粒子被稱為“上帝粒子”，是2012年在歐洲的加速器中發現的。預言它的物理學家獲得了諾貝爾獎，另壹個是“馬約拉納費米子”。
我是做理論物理的，理論物理學家的工作壹般是做預測，讓實驗物理學家去檢驗。我的實驗組在2010預言，馬約拉納費米子可以在壹個組合裝置中找到。但是我們仍然需要找到壹個信號來證明這個粒子的存在。
有壹天，我覺得majorana粒子只有壹面，沒有反面，所以從某種意義上說，它是普通粒子的壹半。我們的理論小組做了壹個大膽的預測:由於majorana粒子不同於普通粒子，所以在某種意義上它只是普通粒子的壹半。所以它的導電率會不壹樣。壹般的粒子電導率是0，1，2，3的整數倍，這必然會導致半個整數倍的電導率階躍。我們預測它會有壹個0.5或1/2的步長。後來我們理論組和實驗組密切配合，做了實驗觀察。誠然，在0.5，妳可以看到它是實驗的原始圖樣，在0.5有臺階，證明了馬約拉納費米子的存在。我們把它命名為“天使粒子”，大家都很喜歡這個名字。
「天使粒子」和信息技術的發展有什麽關系？
現在的計算機已經分為兩大類，經典計算機和量子計算機。有些問題可以很容易地用經典計算機解決。例如，通過將兩個大數相乘，經典計算機可以快速計算。但是讓我們看看壹個數是否可以分解成另外兩個數的乘積。比如15可以寫成3乘以5。如果這個數字比較小，妳可以自己算出來。但是給妳壹個很大的數，經典的計算機要花很長時間才能算出這個數是不是兩個數的乘積，因為它用的算法是窮舉法，可以把所有可能的數壹壹劃分，最後才能確認這是不是兩個數的乘積。傳統的計算機計算速度很慢。
經典計算機只能用窮舉法，最後算出壹個答案。但是量子世界是壹個非常神奇的世界，壹個平行世界。舉個例子，在壹個著名的實驗中，如果我發射壹個粒子，比如光子，它有兩個洞，要麽在左邊，要麽在右邊。但是，量子世界中存在真正的平行性，壹個基本粒子在某個時刻同時穿過兩個洞。如果是左或右，圖像不是顯示的圖像。
量子世界本身就是平行的。如果用量子世界來計算，可以秒計算出所有的可能性，因為量子世界有其真正的並行性，這是量子計算最基本的概念。然而，真正建造這種量子計算機是非常困難的。比如經典計算機最基本的單位是位，即信息不是0就是1，所有的信息都可以用0或者1來表示。這是經典計算機的概念。但在量子世界中，壹個粒子同時穿過左洞和右洞，處於疊加狀態。壹個量子位分不清是0還是1，但它處於0和1的疊加狀態。聽壹個比喻。薛定諤的貓處於生死疊加的狀態。這是壹個非常奇妙的現象。但是由於這個基本現象，說明壹個量子比特本身並不是很穩定。妳看看周圍，就知道不是在左邊就是在右邊，不是0就是1，任何噪聲都會對量子位造成很大的幹擾。
最近量子計算機成為世界和美國著名公司特別關註的對象。Google，微軟，IBM，Intel都在投資，但是他們根本解決不了這個問題，因為壹個量子比特是非常不穩定的。如果有人告訴我們，有壹天我們做了50個量子比特，關鍵問題是有多少有用的比特。如果只有壹個有用的比特，我們往往需要65，438+00，20甚至在量子計算的這個框架下。
但是天使粒子的發現從根本上改變了量子計算機研發的困境，這是壹個從量變到質變的過程。量子位本身具有糾錯能力，也就是我可以把壹個量子位拆分成兩個天使粒子。通常粒子有兩面，天使粒子只有壹面，所以天使粒子通常只是粒子的壹半。所以通常壹個量子位可以被兩個天使粒子存儲。壹旦用兩個粒子來存儲它，它們就離得很遠，它們相互糾纏在壹起。在經典世界中，噪聲是不相互糾纏的，所以不可能用噪聲破壞天使粒子存儲的量子，所以這是壹個革命性的變化。
所以，不久前，我在美國物理學會做了壹個演講，說天使粒子是壹個激動人心的發現。它們可以用盡可能多的比特來做壹臺量子計算機，不需要額外的糾錯比特，而且它們有自己的糾錯功能，這將對量子計算機的跨越式發展起到作用。
當機器人能夠做出科學發現的時候，智能機器就會超越人的那壹天。
人工智能作為壹個基本概念，是在20世紀60年代提出的。今天人工智能能夠突飛猛進的發展，主要是因為很多新技術的總結。按照摩爾定律的叠代，每18個月可以翻壹番。如果用量子計算，按照摩爾定律18個月，不僅會翻倍，而且會完全從量變變成質變。這些年來，人類的計算能力壹直在增強。互聯網和物聯網的誕生產生了大量的數據。智能算法發生了突飛猛進的變化。大數據可以幫助機器學習。但是，人工智能的基礎是各種數據，再好的算法，再強大的計算機，沒有數據也成不了人工智能。
人工智能，雖然我看到它現在突飛猛進，但我認為它還處於非常初級的階段。為什麽這麽說？我們簡單打個比方。比如我們曾經看到鳥在飛，人很想飛。但早期學飛只是簡單的仿生，翅膀綁在人的手臂上。這是壹個簡單的仿生。但真正的飛行狀態是因為人類明白了飛行的第壹原理——空氣動力學。有了物理原理和數學方程後，他們就可以人工設計出最好的飛機。現在的飛機飛得高，飛得快，飛得好，但不像鳥，這才是核心。
目前人工智能只是簡單的模仿人類神經元，但我們更應該思考的是基礎科學有重大突破的機會。我們要真正理解那種智慧和智能的基本原理，才能真正讓人工智能有壹個根本性的改變。
到底用什麽樣的依據才能真正衡量出人工智能符合人類的標準？有些人可能聽說過圖靈測試。圖靈測試就是人和機器對話，但不知道對方是人還是機器。如果在整個對話過程中，妳完全感覺不到，說明機器人似乎已經達到了人類的水平。雖然圖靈是壹位偉大的計算機科學家，但我並不認同這種判斷方法。人類的很多情感都不是理性的情感，所以理性的機器學習非理性的人腦可能沒那麽容易。
所以我想提出壹種新的判斷方法。智能機器人什麽時候才能真正擁有超越人類的智能？我認為人最偉大的地方在於我們能夠做出科學發現。當機器人真的能做出科學發現的時候，那壹天機器就會超越人。
最近，我寫了壹篇關於人工智能的文章，這篇文章將發表在《美國科學院學報》上。會提到人類最偉大的科學發現包括相對論和量子力學，化學最偉大的發現是元素周期表的發現。智能機器能在沒有任何指導的情況下自動發現元素周期表嗎？能否通過機器學習幫助人們發現新藥，發現新材料？這些都是判斷人工智能水平的標準。
實現區塊鏈和人工智能的共同發展將是最有價值的。
當今世界，個人會產生大量的數據，比如個人基因數據、醫療數據、教育數據、行為數據等。，這是人工智能發展特別需要的。很多數據都掌握在中央機構手中，並沒有實現真正的去中心化。區塊鏈的出現可以產生壹個分散的數據市場。
我用壹句話來描述區塊鏈的整個概念，叫做“在數學中我們信任”，這是基於數學的。整個區塊鏈，整個信息技術領域最基礎的就是基礎數學，可以在數據市場上保護個人隱私，進行合理的統計計算。比如有壹種非常神奇的計算方法，叫做零知識證明，可以向妳證明我的數據非常有價值，但是並沒有告訴妳真正私人的數據在哪裏。
有了區塊鏈，數據市場可以讓社會更加公平。現代社會最大的不公平就是人們傾向於歧視某些少數民族。但是在機器學習的過程中最需要的是那些小眾擁有的數據。如果今天機器學習的準確率達到90%，把90%提高到99%，它需要的不是已經學習的數據，而是和以前不壹樣的數據。往往少量的數據對機器學習來說是最有價值的。壹旦我們的數據建立在區塊鏈的基礎上，加上這些奇妙的數學算法，我們就可以擁有壹個良性的數據市場。在這個世界上，實現區塊鏈和人工智能共存的理念是最有價值的。
整個區塊鏈，公眾對它的理解並不是最根本的第壹性原理的理解。就最基本的物理學原理而言，達成壹個* * *知識，就像是大家約定好了同壹個“賬本”，也就是說在物理學中，磁鐵本來就是混沌的，但是在鐵磁狀態下，它們都指向同壹個方向。
實現* * *知識在自然界也是存在的，這種現象叫做熵減。要達到* * *識，如果大家都在同壹個方向，這個狀態的熵遠遠小於混沌熵。達到這種認識是非常困難的，因為熵總是在增加。
壹種算法用於實現區塊鏈中的* * *知識系統，需要消耗能量。這個事情聽起來不可理喻。賬號為什麽要消耗能量？但是從物理學第二定理來說，是壹件非常合理的事情，因為達到* * *知識本身就是熵減，但是整個世界的熵必然增加，所以在達到* * *知識的同時必須排除其他熵。這種非中心化的機制很像自然界，磁鐵從混沌狀態到有序的鐵磁狀態，消耗能量，付出代價也是必然趨勢。
所以，理想的信息世界是，未來每個人都有自己所有的數據，完全去中心化的存儲，黑客不可能黑掉每個人的數據。那麽壹些加密算法真的可以在區塊鏈保護個人隱私，做好計算，像臉書很多個人數據被盜的事情就不會發生了。
今天，我們要解決量子計算、人工智能和區塊鏈技術的問題，這是全人類的問題。中國的科學家將面臨巨大的機遇。除了做好應用科學技術，他們還應該有真正原創的基礎科學突破，比如上面提到的物理和數學原理，雖然這些東西聽起來很抽象，比如熵增原理，電子和正電子。世界的奇妙在於，基礎科學可以為整個信息技術產業提供廣闊的新的發展前景。