全程 | 张首晟在谷歌演讲:量子计算、人工智能与区块链

来源:凤凰新闻 2018-06-09 17:12:38

张首晟

张首晟,美籍华裔物理学家,美国文理科学院院士,美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士。现任斯坦福大学J.G. Jackson和C.J. Wood讲座教授,并创立丹华资本从事美国和中国前沿科技领域的投资。

本文据张首晟教授近日在谷歌的主题演讲整理而成。

以下为演讲全文:

谢谢各位前来。我非常开心来到谷歌,被Daya介绍同样无比的荣幸。在此之前,我们已经彼此交流了很久,今天我想跟你们分享一些个人的看法。

关于未来信息技术内容,包括:量子计算,AI人工智能、区块链。特别是这三者的联系。我相信目前学术界有很多学者已经在研究这几方面的内容,但有机会能来参加此次学术会议我还是相当兴奋,因为会议研究的主要内容是:三者的内在联系。

首先跟大家分享一个“古老的”科学新发现。

多科学问题都对应着深刻的哲学问题,我们存在于一个对立统一的世界中,这个世界中有正数,也有负数;有借款也有贷款;有阴也有阳;有好人也有坏人;天使也有魔鬼。在现实生活中同样也存在着对应的道理。

1928年,其中一位全世界最著名的理论物理学家-狄拉克保罗,尝试将爱因斯坦相对论运用于量子力学。在数学公式推导的过程中,他遇到了不少的平方根计算。随后回想到自己高中时期的平方根问题,9的平方根不仅等于3,因为3的平方等于9,有-3的平方也等于9。所以当你对一个正数开方时会同时得到一个正数和一个负数。

狄拉克对开方得出的负数相当不解,这件事对迪拉克产生了深远的影响。他预言世界上的所有物质,都有正物质和反物质两种形态。如今在威斯敏斯特教堂,你依旧能找到保留完好的迪拉克公式手稿。

2012年获得的“保罗狄拉克勋章”是对我的研究工作最值得肯定。就像我刚才讲的一样:当你对一个数开方,可以得到一正一负两个数字,存在负数是宇宙的一大规律。也就是说只要是宇宙中的物质,就一定存在反粒子。现在看来这是一个再正常不过的完美等式。但在1928年,那个没有反物质的年代,提出这样的理论很不容易。比如当时的人认为:电子的反粒子是一种质量相等但带负电的粒子--质子,虽然质子带的电荷与电子相反,但它的质量却是电子的2000多倍所以那时根本没有人相信他。

但你们猜他说什么?老子的公式如此超前,你们这帮学渣还是先去练级吧。人们确实去提升等级了。狄拉克非常幸运,五年之后,在观测宇宙辐射的时候(地球上很难观测到,但宇宙中存在),科学家们捕捉到了反粒子,并命名为正电子和电子质量相同但带电相反。

我觉得这是人类历史上一次伟大的假设。前期假设很美好,后期结果也很给力。如今人类已经将反粒子应用于医疗方面,比如著名的医学成像技术--正电子层析成像技术,就是利用了反粒子的理论研究出来的。好莱坞也有很多类似的电影题材,比如大家所熟知的达芬奇密码的续集,天使与魔鬼(原著作者丹布朗,主演汤姆汉克斯)电影的高潮部分就是一段天使与魔鬼为争夺反物质而展开的史诗般战斗。

宇宙中到处可见反物质,如果你拥有了反物质或者反粒子,灭霸估计都难奈你何。但这一切都是基于一个美好的推论上,但人类的好奇心从未停止。在狄拉克的伟大假设之后,又有一位伟大的物理学家走入了我们的视野:埃托马略安娜。他提出了一个问题:有没有一种物质不含反粒子,或者有没有一种物质,本身就是他自己的反物质。他提出假设,写下等式。但这次他没有那么幸运,没有人相信他,没有人见过这个公式,他本人也比较失望。从那以后,这个问题就成了基础科学中一个未解之谜。

我们有一个科学亟待解决问题列表。比如在这个列表上有什么是上帝粒子和波色子?好在在2012年日内瓦的一个实验室内上述问题有了答案。再比如引力波,它的提出人爱因斯坦就没有狄拉克这么幸运了。100年后才被人们发现有引力波这种物质,前两年才得到证实引力波的存在。这就是那个神奇的列表反物质粒子也在其中。而诸如什么物质的反物质是它本身这样的问题也就是玛丽安娜费米粒子问题,一直在这个列表的最顶端。

也许寻找玛丽安娜费米粒子是科学家们最感兴趣的问题。就像我刚才讲的一样。玛丽安娜非常失望,因为没有人相信他。

安娜是意大利人。但他登上从纳皮尔开往巴勒莫的渡船后从此消失。这是科学界的一个未解之谜。从他消失到今年已经整整80年了,不过告诉大家一个“好消息”:不仅他消失了,他撰写的文献也没有找到。这才是我今天的重点好嘛。他当时是写下了推导的公式,但是没有告诉任何人公式放置的地点。这就是为什么我们花了80年去寻找它的原因,但我们在斯坦福的科研小组提出了在哪里和怎样找到这些粒子?

2010年至2015年前,我们小组撰写了三篇文献。第一篇就是准确预测粒子的位置。令我们吃惊的是该粒子并不在大型的粒子加速器中,而在我们常见的一种半导体器件中。之前我已经介绍过了,我们小组十年前发现的一种物质,学名叫拓扑绝缘体,在这种绝缘体中放一些磁性的掺杂剂。拓扑绝缘体的材料是一些普通的绝缘体,而磁性掺杂剂是铬这种物质。这样在两种物体的表面,就会形成一个超导体。我们认为在这种条件下,能够捕捉到玛丽安娜费米粒子但仅仅这样还远远不够。我们不仅要找出粒子存在的位置,还需要找到需要测量的物理量,好在常识帮到了我们。一般情况下,粒子都有两面性,像硬币的两面,有正面,有反面,有正粒子,有反粒子。但是玛丽安娜费米粒子只存在一种粒子:只有正粒子,没有负粒子。他就是传说中的半粒子所以这个半粒子的概念,将会在我接下来的量子计算演讲中异常重要。

好了,不管怎样,玛丽安娜费米粒子是普通粒子的半粒子对于普通粒子都会存在一定的电导率或导电率。这种电导率一般都能被量子能极化,表现出零级一级二级等能级普通粒子的能级是离散的整数。所以,如果玛丽安娜费米粒子半粒子那么它表现出的能级特征应该是普通等级的1/2能级3/2能级。所以在半粒子这个系统中,你能够测量导电率,但一定要在半能级的位置进行测量。

去年在与加州大学加州洛杉矶分校的同事合作中,他们将我们提出的理论模型变为现实。在理论研究的基础上,测量了玛丽安娜费粒子的能量。在一二这种整数能级的中间会有1/2这样的半能级。1/2能级就是玛丽安娜费米粒子为半粒子的关键证据,普通粒子整数能级。玛丽安娜费米粒子半步能级去年《科学》杂志将该成果刊登后,我们好好庆祝了一番。

在那个激动的时刻,我又想起了曾经看过的电影--天使与魔鬼。我觉得我们在天堂只找到了天使,并没有找到魔鬼,所以我们称该粒子为天使粒子。所以说了这么多,到底有什么用?传统的计算机已经相当强大,但他们擅长的东西并不全面。我给两个超大的数字让计算机做加法,他秒秒钟就算出来了。例如谷歌云,他算得超级快。但如果给计算机一个数字,让她产生两个相关的数字。比如15等于5×3,但11就不能。你可能说11等于1×11,但是没有意义。如果给一个超级超级超级大的数字,它分解成两个相关的数字,像分解15一样,或者像11不能分解,传统的计算机怕是要蒙圈了。唯一的办法就是进行海量的搜索,从2开始一直搜索下去,到永远。

所以计算机运行的最大问题是什么?像谷歌云这样的计算,本质就是一个寻找最优解的过程。当机器寻找最优解时就会搜索所有的可能性,包括寻找最短路径等方式。这个过程都要花费大量的时间做最优化搜索,这会消耗大量的时间。这就是为什么计算机还需要不断更新迭代的原因?

让我们进入到量子世界看看,量子世界的秘密是什么?假设屏幕上有一对双缝,我用一把普通的手枪分别射击双缝子弹。要么通过左边,要么通过右边的缝隙。在屏幕后方你将看到两个弹痕,左右各一个。但如果你尝试通过双缝射击两个基本粒子,情况就不一样了。背后看到的不是左右两个弹痕,而是一副复杂的干涉图样。当两个粒子同时穿过双缝,干涉图样产生,他同时穿过左右两个缝隙。如果不是同时穿过,干涉则不能产生。所以量子世界就是一个平行的世界:两个粒子同一时间同时穿过两个缝隙。

很多人就在思考刚才的问题。传统计算机解决复杂问题的能力,也许可以使用一台量子计算机,同一时间同时搜索所有可能的答案。也就是说,理论上,计算机可以同时搜索所有的可能答案,然后立马给你计算答案,能够这样迅速的提高计算机的计算能力,想想就好兴奋呢!

(后续更新中)

点击查看原文

相关链接