信息技术行业中最重要的三大基础技术——量子计算、人工智能与区块链

原标题:信息技术行业中最重要的三大基础技术——量子计算、人工智能与区块链

目前,量子计算、人工智能与区块链是整个信息技术行业中最重要的三大基础技术。在将来,要使信息技术真正能够得到跨越发展,必须重视基础科学[1],既需要物理学,又需要数学,因为物理和数学跟信息技术革命有紧密的联系。

一、量子计算

很多比较有意思的科学发现都跟哲学观念的改变有所关联,最根深蒂固的哲学观念在中华民族的古老哲学上已经体现出来,好像世界是从来都是正负对立的世界观,「有正数必有负数,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有魔鬼」。所以这种对立的世界观在基本粒子的物理世界里面也有一种呈现。

理论物理学家狄拉克曾为了把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学统一起来,做了一个简单的数学运算,就是开根号。开根号始终会出现正负两个解,一般人只关心正解,而狄拉克巧妙地将负解解释成所有的粒子必然有反粒子[2]。大家都对他提出了非常大的质疑,粒子怎么可能有负能呢?

不过过了五年,大家真的找到了电子的反粒子,就是正电子。再后来,质子找到了反质子,有中子也找到了反中子。《天使与魔鬼》,讲的就是有天使必然有魔鬼,有粒子必然有反粒子。恐怖分子到欧洲的实验加速器里面偷出来一百万分之一克的反粒子就可以做成炸弹[3] ,它的威力相当于4吨TNT的威力,这是人类能量储存密度最高的办法。

可是,还有一些粒子,它们的反粒子就是它们自己。那就是马约拉纳费米子。当时理论物理学家马约拉纳完全出于好奇心,他问世界上会不会有一些粒子并没有反粒子?他果然有找到了一个方程,现在叫Majorana方程,这个方程也是奇妙地描写了有一种粒子没有反粒子,或者它自己就是自己的反粒子。可是费米没有狄拉克那么幸运,因为所有的反粒子都找到了,他文章发表后没人理他。

80年后的2017年,终究还是找到了。张首晟教授的团队取名为“天使粒子”[4]。斯坦福大学张首晟团队与加州大学洛杉矶分校的王康隆团队、加州大学欧文分校的夏晶团体合作,在超导-量子反常霍尔平台中发现了具有半个量子电导的边缘电流,与理论预言的手性马约拉纳粒子十分吻合。这是在霍尔效应平台系统中第一个具有确凿证据的马约拉纳测量结果。

可是说了这么多,跟量子计算又有什么关系呢?计算机已经分成两类了,有经典计算机和量子计算机。有些问题经典计算机就很容易解决,比如把两个大的数乘起来,经典计算机可以算得很快。但是要对一个数做因式 的话,比如15可以写成5乘以3,这个数很小的话我们可以算出来。但是给你一个很大的数,经典的计算机要算这个数到底是不是两个数的乘积需要花很长的时间,因为它用的算法是穷举法,把所有可能被除的数一个个除过来,最后才能确认这到底是不是两个数的乘积,经典计算机算起来非常慢。

而量子世界是非常神奇的世界,是平行的世界。比如有两个孔,我打一个炮弹过去的话,要不就是从左边穿过,要不就是从右边穿过,不可能同一个时间既穿过左边,又穿过右边。但是量子世界有一种本真的平行在里面,一个基本粒子在某一个瞬间同时穿过了两个孔[6] 。量子的世界本身就是平行的。如果用量子世界来做计算的话就能够秒算,把所有的可能性一下子算出来,因为量子世界有它本真的平行性,这是量子计算最基本的概念。

但是要真正造出这个量子计算机是非常困难的[7] 。

近年来,量子计算机被全球和著名美国公司特别关注,谷歌在这方面做投资,微软也在做投资,IBM、英特尔也在做投资,但是根本上不能解决这个问题[8] 。

2017年5月,中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,此原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有实验机加快至少24000倍,比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍,虽然还是缓慢但已经逐步跨入实用价值阶段。

2018年6月,英特尔宣布开发出新款量子芯片,使用五十奈米的量子比特做运算,并已在摄氏零下273度的极低温度中进行测试。

2019年1月8日,IBM在消费电子展(CES)上展示了已开发的世界首款商业化量子计算机IBM Q System One。

现在回顾刚刚上面讲的基本概念,通常的粒子有两面,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。所以通常一个量子比特就可以用两个天使粒子来储存它。一旦用了两个粒子储存它,它们在遥远的地方,它们相互是有纠缠的。但是在经典世界里面的噪音,它们相互之间是没有纠缠的,这样的话就没法用噪声来破坏由天使粒子所储存的量子,所以这是一个革命性的改变。

首先天使粒子的发现是激动人心的发现,用量子做量子计算机是多少比特就多少比特,不用附加纠错的比特,自带纠错功能,这会对量子计算达到突飞猛进的发现。

今年2月16日上午消息,华为轮值董事长徐直军接受了六家英国媒体的采访,徐直军谈到5G的安全问题。他提到,5G传输的关键信息可以进行256位的加密[9] ,意味着要用还没有出来的量子计算机才能解密[10] 。

二、人工智能

人工智能作为一个基本概念,在1956年达特茅斯(Dartmouth)学会上提出。今天人工智能能够有突飞猛进的发展,主要是很多新技术的汇总[11]。根据摩尔定律的迭代,每过18个月传统计算机性能能够翻倍,如果用量子计算的话,就不只是按摩尔定律18个月翻倍,而是完全从量变到质变。这些年来,人类计算能力不断增长[12]。互联网和物联网的诞生,产生大量的数据。智能算法有突飞猛进的变化。大数据能帮机器学习。不过,人工智能的基础是各种数据,再好的算法,再强大的计算机没有数据的话也无法成为人工智能。

现在的人工智能,正在突飞猛进中。但其实它还处于早期,为什么呢?做一个简单的类比,比如我们曾经看到鸟飞,人也非常想飞,但早期学习飞行只是简单仿生,在人类的手臂上绑上翅膀,这就是简单的仿生,但真正达到飞行的境界是由于人类理解了飞行的第一性原理——空气动力学,有了物理原理和数学方程之后就可以人为设计最佳的飞行器,现在的飞机飞得又高又快又好,但并不像鸟,这是非常核心的一点。

现在人工智能多是在简单地模仿人的行为,而更深层次的情感变化、面部表情以及思维方式等等,才是需要去突破的。有人说通过图灵测试[13] 来评判人工智能是否达到人的标准。就像刚刚说的一样,情感变化是需要人工智能去突破的,人类的情感大多不是理性的,你让一个理性的机器模拟一个非理性的人的大脑并不是那么容易的。就像现在的机器人,你打它,它会还手[14] 吗?

张首晟教授提出一个这样的判断方法。智能机器人哪一天真正拥有超越人的智力?我认为人最伟大的一点,就是我们能够有科学的发现,哪一天机器人真能够做科学的发现,那一天机器就超过人了。

三、区块链

前面已经说了,人工智能正在突飞猛进的发展。在今天的世界,个人会产生出很多数据,个人的基因数据、医疗数据、教育数据、行为数据等,这是发展人工智能特别需要的。很多数据都是掌握在中心机构里面,没有达到真正的去中心化,不能帮助机器合理地去学习。区块链的产生,能够产生一个去中心化的数据市场。

张首晟教授曾把区块链的整个理念用一句话来描写,叫“InMath We Trust”,我们的信念建筑在数学上。整个区块链和整个信息技术领域里面最基础的东西,是基础数学,是能在数据市场里面保护个人隐私,又能够做出合理的统计性的计算。比如有一种非常神奇的计算方法叫零知识证明,它能够向你证明我的数据是非常有价值的,但又不告诉你真正隐私的数据在哪儿。

其本身作为比特币的底层技术,拥有去中心化、开放性、自治性、信息难篡改、匿名性等特征,可有效弥补人工智能应用中存在的数据共享、数据安全等问题。区块链可以为人工智能提供“链”的功能,让人工智能的“自主”运行中需要的数据信息都得到可信记录并具备可溯源的特点,使得AI更可信、更安全。

量子计算、人工智能、区块链之间的联系必定会越来越紧密,年初看了《地球往事》系列,深有感触,基础科学对于技术的发展可以说是起着决定性的作用的。目前我们的技术很多都还只是建立在几十年前甚至一两个世纪前的基础科学之上,虽然表面上看,我们的技术突飞猛进,上天入地探索地外行星看似无所不能,可是基础科学的发展却是放缓了的。我们的技术科学以基础科学的理论为指导,再加以综合应用就有了我们的应用科学。可是基础科学一旦停止进步,我们的所有努力也只是在其上面添砖加瓦,不会有量变到质变的结果,永远也不会。

前面提到了量子计算,相应的,也有量子通信等等,哪天能用了,这就是基础物理的突破,可是又是哪天呢?10年?20年?太短了。基础科学的突破需要的时间太长,以至于可能需要几代人共同去研究。

回到我们说的区块链,有人问到:量子计算来了,区块链还安全吗?我们透过本质来看问题,区块链它本质上是一种互联网协议,建立了去中心化数据库结构,并保证数据的完整性以及安全性。数据安全性方面,区块链技术采用非对称加密算法保障数据库的可信性。而量子计算机通过秀尔算法,就能轻易的破解2048位的RSA加密算法。可是刚刚也提到了,我们基础科学的进度真的太慢了,以至于我们还有相当长的时间去研究量子密码通信或者抗量子计算密码,基础科学的发展是靠人去研究来的,传统密码学在量子计算前不堪一击,我们总会有应对措施。我一点儿也不担心量子计算会对区块链造成冲击,相反,量子计算这样的基础科学的突破,结合其他基础科学对应的技术科学的研究以及最终的综合应用,将会快速推动人类历史的进程。

以下是文中注解

[1] 在小说《地球往事》(三体)系列中也出现了这样的情况,三体文明发明智子,到地球干扰人类的高能粒子对撞实验,让人类的基础科学停滞不前,所有的技术只能在基础科学的应用上添砖加瓦,而不会有任何突破性的进展。

[2] 所有的粒子,都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同,但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数异号的粒子存在,称为该种粒子的反粒子。除了某些中性玻色子外,粒子与反粒子是两种不同的粒子。

一些中性玻色子如光子、π介子等,其反粒子就是它们自己。

电子的反粒子──正电子,最早是由P.A.M.狄拉克在理论上预言的,随后在1932年在实验上由C.D.安德森等予以证实(见图)。质子的反粒子──反质子是在1955年被发现的。

[3] 一公克反物质与一公克对消灭的物质,可以产生180万亿焦耳的能量,相当于4.3万吨的TNT炸药(约投在广岛3倍的原子弹的能量)。 在美国最大的高能物理研究实验室——费米实验室,这里拥有目前世界上能量输出最高的粒子加速器,也就是著名的Tevatron质子/反质子加速器,它能将质子加速到接近光速。迄今为止,这个加速器创造出的所有反质子加起来只有不到15毫微克(1毫微克=10-9克)。

[4] 这个名字来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。

[5] 非对称加密算法难以破解的原因在于:对两个质数相乘容易,而将其合数分解很难的这个特点进行的加密算法。

[6] 只有这种行为才能解释在后面形成的干扰条纹。假定要么是左,要么是右的话,看起来的图像就不是这个显示的图像。

[7] 比如最基本的单位,经典计算机最基本的单位是比特,就是信息要不是0就是1,用0、1就能够表达所有的信息,这是经典计算机的概念。但是在量子世界里面,一个粒子同时穿过左孔,又穿过右孔,处在某一种叠加的状态。一个量子比特讲不请是0还是1,它是处在0和1叠加的状态里面。大家听一个比喻,薛定谔猫就处在死和活的叠加状态里面。这是一种非常奇妙的现象。但是由于这种基本的现象,说明一个量子的比特本身是不太稳定的,你去观察一下周围就知道它要不就是在左边,要不就是在右边,要不是0,要不就是1,任何一个噪声就会对量子比特产生很大的干扰。

[8] 一个量子比特是非常不稳定的,如果哪天告诉我们做了50量子比特,但是关键的问题是有用的比特是多少,如果只有一个有用的比特,往往在这种量子计算的框架下需要10个、20个甚至40个、50个纠错的比特来为它服务,使得量子计算很难真正实现。但是天使粒子的发现根本改变了,这是量变到质变的过程,并不是把量子比特做得越多越好,量子比特本身自带纠错的能力,就是我把通常一个量子比特能够拆分成两个天使粒子的。

[9] 指的应该是256位的椭圆曲线(ECC)加密算法。

[10] RSA加密算法严重依赖于大整数素因数分解的计算量以及耗费的时间。RSA算法的核心设计就是通过提高破解成本来提高安全性。因此任何能够增加计算速度的方法都会威胁到这种常用加密算法的安全性。

前面提到,量子计算机擅长因式分解的运算,是可以秒算的。而对于非对称加密算法,使用足够长度的密钥,目前传统计算机的计算效率下,是不可能破解的,相反,用量子计算机,可以轻易解决。

如果攻击者拥有大型量子计算机,那么他可以使用秀尔算法(针对整数分解这类题目的量子算法)解决离散对数问题,从而破解私钥和共享密钥。目前的估算认为:破解256位素数域上的椭圆曲线,需要2330个量子比特与1260亿个托佛利门。相比之下,使用秀尔算法破解2048位的RSA则需要4098个量子比特与5.2万亿个托佛利门。因此,椭圆曲线会更先遭到量子计算机的破解。目前还不存在建造如此大型量子计算机的科学技术,因此椭圆曲线密码学至少在未来十年(或更久)依然是安全的。

那是否有必要担心量子计算机对目前加密算法的威胁呢?完全没必要。密码学家已经积极展开了后量子密码学的研究。其中,超奇异椭圆曲线同源密钥交换(SIDH)有望取代当前的常规椭圆曲线密钥交换(ECDH)。

[11] 因素和技术:

1、摩尔定律;

2、大数据;

3、互联网和云计算;

4、新算法。

[12] 现在最新一代微处理器的性能是1971年第一代单片机的400万倍。

[13]图灵测试是说人跟机器对话,但是我们不知道大在背面到底是人还是机器。整个对话的过程中,你如果花了一天的时间根本感觉不出来,那就是说机器人好像已经达到人的水平。

[14] 目前的AI,就算还手,都是程序预先设定好的。

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