聊两句Quantum Computing (量子计算技术）and Quantum AI

      这几天ChatGPT大火，觉得挺好笑的。对于从事于或做过Machine Learning(or say Deep Learning)的人来说，就算火也应该是GPT-3（Generative Pre-trained Transformer 第三代），ChatGPT只是基于GPT语言模型的一个应用，你到github上找GPT，任何人都可以写一个基于GPT、利用GPT语言模型的API。和一、二代比较，第三代的神经网络模型更大，训练数据更多，架构没有变化，有175 millions个参数 (parameters)。有人甚至问是不是ChatGPT具有人的意识，没有，绝对没有。它只会按人给它的算法计算，不会思考，丈量的是输入值与被人类输入的语意库（注意不是数据库 database) 里多维空间矢量的距离，距离越短就越相关，距离长就不相关。Siri，还有很多购物网站上的AI Chat都是相似的架构，只是GPT3规模更大。但是这里至少有两个问题，Open AI's GPT-3用传统的电脑需要花几个月的时间去训练 the tranformer。这还只是开始，想要让模型更加强大之后有可能会增加更多的参数，需要更多的时间去训练。另外一个问题就是预测的准确性。传统计算机以二进制“bits”比特作为信息单位——1 代表开或是，0代表关或否。也就是非黑即白，这给所能预测的结果带来了很大的局限性，可能的解决方案的准确性也会随之降低。这两方面的问题似乎只能由量子计算和量子计算机来解决。

       首先表明我的观点，很多人认为量子计算技术和AI都是颠覆性的技术，是新一代的Frontier。我认为量子计算技术具备更高的颠覆性，而AI必须依靠量子计算机——也就是成为量子人工智能Quantum AI——才能高速、高效、准确地帮助人类预测结果或解决更为复杂的问题。如果你是学物理的，可能已经很了解量子计算的核心概念，我们还是先从它在当今世界的地位说起吧。量子计算技术很早就开始了，但近几年它已经从论文的脚注上升到许多国家正在执行的日式日程之中。迄今，已经有17个国家制定了量子技术战略。从80年代中期开始，中国已经在量子技术上投资了大约250亿美金。中国首席量子科学家，潘建伟院士（1970年出生），分别在2016年和2021年领导发射了世界上首枚量子卫星，这枚卫星拥有56-qubit（qubit - 量子比特，对应普通计算机中bit比特位）量子计算机芯片。中国在2021年三月发表了第14个五年计划，把精通量子计算技术列为首要目标。世界经济论坛报道去年全球共在量子技术上投入了300亿美金，而中国就占了大概50%，欧盟占25%。美国政府只投入了12亿，相比之下简直就是微不足道。龙头科技公司从Google, 到Amazon，再到阿里巴巴，更不要说争夺科技霸权的国家——全都在想方设法在这一领域称霸。 一份国际数据分析表明全球量子技术产业总值将从2020年的四亿一千两百万美元发展到2027年的八百六十亿。所以许多人预测新一轮的世界争霸战场就在Quantum Computing and Quantum AI. 美国国家安全顾问Jake Sullivan说量子技术在下一个十年中至关重要。中美两国后量子安全标准的竞争很有可能把世界一分为二成两个集团——极有可能会导致所谓的网络巴尔干化。

  我在金融领域工作所以很清楚金融公司是量子技术的早期应用者，比如用量子算法不仅可以使外汇交易效益翻倍，还能找出很多以前普通算法的错误之处。量子深层机器学习算法和普通的机器算法完全不同，速度快是一方面，关键是它可以尝试更多的方法从大量的数据中更有效地找出相关性，也就是更加准确。现在量子技术的商业用途也是如火如荼，不仅局限在金融领域了。当世界上众多知名大公司和成百上千的新的创业公司都在争先恐后地乘上量子科技这匹快马时，IBM已经一骑绝尘成为这一领域的佼佼者。目前为止，IBM已经拥有60台可运转的量子计算机——比世界上除它之外的总和还要多。老大就是老大，这个一个世纪前创立的公司未能赶上云计算和AI最初的那趟车，落后于Apple，Microsoft，但是在量子技术上IBM打了一个漂亮的翻身仗。去年十一月，IBM宣布推出最新研发的量子计算机芯片“鱼鹰”，含433个量子比特（qubit)，是它之前推出的“鹰”芯片（127个量子比特）的三倍还要多。这是目前为止世界上最强大的量子芯片，从速度上讲，如果用普通电脑的比特(bits)来表示，它远超过整个宇宙已知的原子数总和。IBM在它的开源量子编程软件开发工具包Qiskit上有20多台量子计算机在运转，目前已被全世界人民下载了四十五万多次。IBM为了支持世界人民学习量子技术，很多计算机都是免费提供使用的，而付费用户也可以远程租用更强大的量子计算机。IBM计划今年，就是2023年推出拥有1,121个量子比特芯片的计算机，到2025年推出一个超过4,000个量子比特的系统。这个系统会拥有模块化的量子电路，从而连接多个处理器芯片已实现更快的速度。IBM说模块化是这个领域一个关键的拐点，他们已经知道如何制造出有上万个量子比特的机器。去年十月拜登总统访问了位于纽约Poughkeepsie的IBM量子数据中心，他称量子技术对国家经济和安全都是必不可少的。当今新一轮群雄争霸之际，中美都不遗余力地进行科技竞赛以免在关键阵地失去优势。无疑量子技术和之前的互联网和传统计算机一样将会带来新一代的产业革命。

  为什么这么说呢？纵观传统计算机给人类带来的奇迹，从70年代后期Apple II的开拓时期到今天的智能手机和超级计算机，处理器把高级语言编写的任务翻译成二进制来执行。然而生命是如此的复杂，不能只用这种简单粗暴的方法来处理信息，有人比喻这就像用摩斯代码去演奏钢琴协奏曲一样。量子技术更接近自然。分子——宇宙的建筑模块——由原子组成，而原子由电子组成，电子能够以同时处于正负两种状态的方式存在，这就是量子粒子的叠加——superposition。应用到自然或材料科学中就可以用来预测药物是怎样影响人体机能的，或是预测物质是如何腐化的。传统的做法是通过试误法进行计算猜测，而量子作为自然界的镜像反映，能够进行更加有目的性的、更为准确的设计和预测。一些复杂的问题用现在最强的超级计算机也需要几年的时间才能解决，而在量子计算机上很有可能只需要几秒钟就解决了。未来的量子计算机会为数学和科学探索出今日无法想象的疆域，帮助解决人类最棘手的问题，比如气候变化，生命科学，研制修复基因疾病的药物，极大地剪短新药品 trials 时间(现在是10-15年)。最近一连串的突破和各个政府加大投资的现象表明我们正处于量子革命的风口浪尖之上。

  然而任何东西都是道高一尺，魔高一丈。颠覆者带来的风险也是巨大的，量子技术已经成为国家安全的隐患。它是一把双刃剑，人性总是要先把一种好的东西当作武器来使用。量子计算的能力很快会把当今的密码学变成废纸，破坏电子传讯，金融交易，甚至军用防御系统。当今所有的网络安全——不论是whatsapp上的留言，银行转帐，任何需要数字签字鉴别和协议的地方都是基于RSA这样一种非对称密码学的演算法，用来安全地传递数据。相比一台传统的计算机需要几十亿年才能解码RSA，一台比较快的量子计算机只需要几个小时就可以完成RSA的解码。去年12月一个中国的科学家团队发表了一篇论文，声称他们已经掌握了一种算法，只要用一台372-qubit的量子计算机就可以轻松解码RSA。无论真假，针对量子技术的竞赛演变成了一种后量子技术安全竞赛。美国白宫去年发表了一份国家安全备忘录，由于全球量子技术的发展会给经济和国家带来严重的风险，命令所有联邦机构尽快过渡到后量子安全阶段. 由于要把所有计算机系统的软硬件基础构架、设施完成升级需要几十年的时间，而且可以说任何和互联网有联系的东西都存在风险，所以事不宜迟，现在就要行动起来云云。即便如此，前国防部首席数据官Spirk仍然担心美国在安全方面还是落后了，号召政府实施一个类似于“曼哈顿计划” （Manhattn Project是第二次世界大战期间研发出人类首枚核武器的一项军事计划，由美国主导，英国和加拿大协助进行。）的计划，专门针对发展量子技术。“这已经不是即将到来的浪潮，” 他说，“它已经在这里了。” 安全问题还不是围绕量子技术的唯一风险。你也许可以用笔和纸验证普通电脑的计算结果，当量子计算机用复杂的物理原理解决复杂的问题之后，人们如何验证其结果将是一个million-dolar question。

  为什么说速度至关重要？看看这次的俄乌战争，它已经为我们敲响了警钟。俄国是从攻击乌克兰的通讯和基础设施的电脑网络系统开始它的军事入侵的，所以可以说这场战争是人类历史上第一个从计算机网络攻击开始的热战。公共服务，能源网，媒体，银行，商业和非营利机构的电脑系统全部都被网络闪电战攻破，影响了药物，食品和救援物资的供给。现代作战和国家安全机制是建立在准确和决策的速度上面的。“如果你的电脑比敌人快，那你就会赢，就这么简单，” Spirk说。“量子技术就是下一个飞跃。”

  我就先叨叨这么几句吧，欢迎有兴趣的小伙伴们热烈讨论，呵呵。